宇宙线缪子散射成像模拟与算法研究

本文验证了基于Micromegas探测器的宇宙线缪子散射成像系统进行快速核材料检测的可行性,并对实验室宇宙线缪子成像系统原型进行参数估算。基于Geant4程序开发了用于模拟宇宙线缪子物理过程、传输径迹及Micromegas探测器响应的模拟程序。在模拟数据的基础上,实现并改进了两种主要的宇宙线缪子散射成像算法。根据模拟和成像结果,1 m×1 m成像系统可在10 min内检测到被重元素屏蔽的核材料。10 cm×10 cm成像系统的缪子事例触发率为0.16 s^-1,要获得较为清晰的成像结果,要求探测器位置分辨率达到300 μm,探测器增益为1 000时实际测量事例至少需要20 h。     

大面积MRPC宇宙线缪子成像原型装置的研制

大面积位置灵敏探测器阵列是宇宙线缪子散射成像系统的关键部分。研发了适用于研制的73.6 cm×73.6 cm大面积二维读出位置灵敏MRPC探测器上的双精细复用读出电子学,构建了一个包括上下2组、每组各3块大面积MRPC的宇宙线缪子散射成像原型实验装置。该装置通过上下两块塑料闪烁体进行触发,实验数据经过处理后能重建缪子径迹,采用PoCA图像重建算法,获得了散射成像实验图像,结果与蒙特卡罗理论模拟结果相一致,为进一步研究宇宙线缪子成像物理机制、成像算法等提供了良好的实验平台。     

反应堆宇宙线缪子成像蒙特卡罗模拟研究

宇宙线缪子成像可对第二代反应堆压水堆(PWR)堆芯进行成像,即使在严重核事故下,常规方法无法监测时,仍可探知堆芯状态,了解堆芯情况。论文基于PWR主要结构参数建立详细的模拟模型,通过Geant4程序进行模拟,对反应堆堆芯进行图像重建,并对图像进行降噪处理。研究结果表明,宇宙线缪子可对堆芯高Z材料成像,核燃料轮廓清晰可见,利用大角度宇宙线缪子对PWR堆芯进行成像、对堆芯状态进行监控的方法可行。若要实现这种方法,使用多个8 m×8 m的大面积位置灵敏探测器,在3个月内可以实现。     

缪子成像系统中二维位置分辨探测器研制

介绍了一种应用于缪子成像系统的新型二维高位置分辨探测器,MRPC探测器的有效面积为1 072 mm×1 072 mm,先后对探测器在宇宙线和X射线下测试其性能,结果表明探测效率高于98%,位置分辨好于272μm。     

10 cm×10 cm Bulk Micromegas探测器的研制

Bulk Micromegas探测器是一种新型微结构气体探测器。利用光蚀刻技术制作了有效面积为10 cm×10 cm的多通道Bulk Micromegas探测器。对探测器的各通道进行了电容测试,显示探测器具有较好的均匀性。在Ar+10%CO_2气体中,使用~(55)Fe放射源和自主研制的基于APV25前端卡的数字化电子学,对制作的有效面积为10 cm×10 cm的探测器进行了测试,其结果显示探测器性能良好,能得到清晰的二维事件分布图。该探测器目前全部工艺国产化,并能进行批量生产,成品率接近100%。     

10 cm×10 cm Bulk Micromegas探测器的研制

Bulk Micromegas探测器是一种新型微结构气体探测器。利用光蚀刻技术制作了有效面积为10 cm×10 cm的多通道Bulk Micromegas探测器。对探测器的各通道进行了电容测试,显示探测器具有较好的均匀性。在Ar+10%CO₂气体中,使用⁵⁵Fe放射源和自主研制的基于APV25前端卡的数字化电子学,对制作的有效面积为10 cm×10 cm的探测器进行了测试,其结果显示探测器性能良好,能得到清晰的二维事件分布图。该探测器目前全部工艺国产化,并能进行批量生产,成品率接近100%。     

宇宙线缪子传统散射成像算法与模拟研究

详细推导了宇宙线缪子传统散射成像算法:径迹类重建算法中具有代表性的最近邻点算法(PoCA)以及统计类重建算法中的最大似然散射角算法(MLS)、最大似然散射角和位移算法(MLSD)和期望最大算法(EM).介绍了新发展的成像方法.进行了模拟实验,模拟研究表明统计类重建算法具有更好的成像精度.     

WCDA动态范围扩展系统快速模拟研究

现代物理学中,超高能γ天文已成为天体物理学的主要分支之一。针对超高能宇宙线事例模拟的困难,本文进行了WCDA动态范围扩展系统快速模拟的研究,主要包括对光子数薄化处理和参数化模拟两种方法。这两种方法可以运用到WCDA动态范围扩展系统中,用来快速高效模拟高能量宇宙线事例在探测器上的响应。     

缪子对小尺寸中低原子序数物质三维成像技术的模拟研究

缪子成像是一种利用天然本底辐射中极具穿透力的缪子射线通过散射或透射技术对高原子序数Z或隐藏物体进行无损成像的技术。当前的研究对象是大尺寸的高Z物质,而针对小尺寸的中低Z物质的成像技术在国内鲜见报道。本文提出了一种针对小尺寸中低Z物质的三维成像技术,利用Geant4软件模拟了缪致次级粒子的产生过程,模拟结果表明次级粒子主要为电子和γ光子,通过缪致次级粒子与入射缪子符合探测技术筛选入射缪子径迹,利用有限角度成像算法对待测物体进行了三维图像重建,结果表明,该技术适合于小尺寸的中低Z物质成像,尤其对小尺寸中Z物质的重建效果明显,重建图像可区分08 cm的凹槽。     

应用于PandaX-Ⅲ实验探测器测试平台的Bulk Micromegas性能研究

探测无中微子双贝塔衰变的PandaX-Ⅲ实验需要一个能同时对多个Micromegas探测器的增益、能量分辨、坏道分布、位置分辨等性能参数进行测试的平台,为此中国原子能科学研究院建立了PandaX-Ⅲ实验探测器测试平台。本文采用由光蚀刻技术制作的Bulk Micromegas对该测试平台进行研究：利用⁵⁵Fe放射源在Ar+10%CO₂的流气情况下,使用基于AGET读出芯片制作的通用读出电子学进行数据采集;运用C++与ROOT软件库编写相应的后端数据分析软件,并对数据进行了分析。测试结果表明,PandaX-Ⅲ实验探测器测试平台各系统工作状态良好,应用于测试平台的Bulk Micromegas探测器具有良好的信噪比,X射线成像效果清晰,对5.9 keV X射线的能量分辨率为19.7%。     

应用于PandaX-Ⅲ实验探测器测试平台的Bulk Micromegas性能研究

探测无中微子双贝塔衰变的PandaX-Ⅲ实验需要一个能同时对多个Micromegas探测器的增益、能量分辨、坏道分布、位置分辨等性能参数进行测试的平台,为此中国原子能科学研究院建立了PandaX-Ⅲ实验探测器测试平台。本文采用由光蚀刻技术制作的Bulk Micromegas对该测试平台进行研究:利用~(55)Fe放射源在Ar+10%CO_2的流气情况下,使用基于AGET读出芯片制作的通用读出电子学进行数据采集;运用C++与ROOT软件库编写相应的后端数据分析软件,并对数据进行了分析。测试结果表明,PandaX-Ⅲ实验探测器测试平台各系统工作状态良好,应用于测试平台的Bulk Micromegas探测器具有良好的信噪比,X射线成像效果清晰,对5.9 keV X射线的能量分辨率为19.7%。     

复用读出MRPC探测器性能标定与实验研究

多气隙阻性板室(MRPC)以其探测面积大、时间和位置分辨优异、成本低廉、探测效率高等优点,成为宇宙线散射成像径迹探测器的优良选择。为评估复用读出的MRPC探测器用于宇宙线散射成像实验的性能,搭建了一套测试标定实验平台,对12块MRPC探测器进行了完整的标定测试。经过实验研究,选定了8 400 V的适宜工作高压,并分别根据“与”逻辑和“或”逻辑,评估了复用读出前后MRPC的探测效率。     

羊八井空气簇射轴芯探测器

为了分析研究宇宙线膝区的化学成分,设计建造了羊八井空气簇射轴芯探测器阵列(YAC)。该探测器安装在海拔4 300 m的西藏羊八井宇宙线观测站内,可以与西藏羊八井广延大气簇射阵列做联动混合实验。探测器用闪烁体单元来测量到达探测器的空气簇射轴芯次级粒子,每个闪烁体单元放置在40 cm×50 cm的盒子中,覆盖了3.5 cm厚的铅板。测量的簇射轴芯次级粒子数目范围为1(最小电离粒子)～10~6MIP。第一阶段建造安装了16台探测器,称为"YAC—I",分布在面积为10 m~2的网格里。YAC-I用来检验强子相互作用模型。详细讨论YAC-I的性能。     

宇宙射线缪子核材料快速检测算法研究

根据宇宙射线缪子库伦散射角进行核材料快速检测具有重要意义。本文利用Geant4获取的U、Pb、Fe的缪子库伦散射角数据集，分析缪子散射探测数据的分布特征。使用支持向量机测试了缪子散射探测数据的概率分布函数参数和峭度对不同材料分类的性能，提出基于分布特征的宇宙射线缪子核材料快速检测算法。结果表明，该算法仅用数量为10 000的缪子散射探测数据，能实现对相同厚度的U、Pb、Fe的分类，分类准确率达到989%以上。     

不同体积聚乙烯样品泄漏中子飞行时间谱测量与模拟研究

采用T(d,n)~4 He脉冲中子源和中子飞行时间法测量了3种不同尺寸聚乙烯样品在60°方向的泄漏中子飞行时间谱。通过3种模拟模型(点探测器简化模型、点探测器复杂模型和环探测器复杂模型),应用MCNP程序分别模拟得到了泄漏中子飞行时间谱,并与实验数据进行比较。结果显示:对于小体积样品(?13cm×6cm),3种模型的模拟数据和实验结果在n-p散射峰符合均很好;对于大体积样品(30cm×30cm×6cm,40cm×40cm×6cm),采用环探测器复杂模型的计算结果更加接近实验值。该研究工作为将来开展大体积样品基准检验奠定了基础。     

基于FELIX的微结构气体探测器读出电子学系统设计

微结构气体探测器因其精度高、面积大等优点,在粒子物理实验中得到了非常广泛的应用。微结构气体探测器的未来应用将面临ASIC种类多、通道数多、数据量大等问题,给读出电子学系统的设计带来了很大的挑战,已成为微结构气体探测器进一步发展应用的瓶颈。FELIX系统具有数据带宽大、通道数多等特点,可很好解决这一问题。基于FELIX的电子学系统由完成探测器信号数字化的前端电子学模块、完成数据汇总的GBT模块、完成数据读出的FELIX系统、完成数据处理的数据处理终端组成,可完成10 240路半数字通道读出或4 096路模拟通道读出。该系统与Micromegas探测器一起实现宇宙线径迹探测,验证了该系统的通用性和兼容性,为微结构气体探测器的应用需求提供了一个通用的解决方案。     

基于FELIX的微结构气体探测器读出电子学系统设计

微结构气体探测器因其精度高、面积大等优点,在粒子物理实验中得到了非常广泛的应用。微结构气体探测器的未来应用将面临ASIC种类多、通道数多、数据量大等问题,给读出电子学系统的设计带来了很大的挑战,已成为微结构气体探测器进一步发展应用的瓶颈。FELIX系统具有数据带宽大、通道数多等特点,可很好解决这一问题。基于FELIX的电子学系统由完成探测器信号数字化的前端电子学模块、完成数据汇总的GBT模块、完成数据读出的FELIX系统、完成数据处理的数据处理终端组成,可完成10 240路半数字通道读出或4 096路模拟通道读出。该系统与Micromegas探测器一起实现宇宙线径迹探测,验证了该系统的通用性和兼容性,为微结构气体探测器的应用需求提供了一个通用的解决方案。     

60Co双投影辐射成像系统中的散射干扰模拟研究

~(60)Co双投影辐射成像系统,采用两个射线源,分别底置和侧置,通过一次扫描即可获得仰视和侧视两个方向的投影图像。但由于散射的存在,两个投影平面的成像会相互干扰。为降低两投影平面间的散射影响,提高该系统辐射图像的质量,首先基于蒙特卡罗方法建立仿真模型,并对空载时散射分布的模拟值与实验值进行对比,验证了模型的可靠性,然后模拟分析了不同投影平面间距、探测器周围布置不同屏蔽材料(钨、铅、钢和铝)以及屏蔽层位置和厚度对散射的影响。结果表明:当投影平面间距为40 cm并且屏蔽层厚度相同时,使用铅并将其布置在支撑架和侧视电离室之间时,对散射的屏蔽效果最好;投影平面间距分别为40 cm和80 cm时,散射可以分别降低至间距为10 cm时的55%和40%以下,安装2.5 cm的铅片可以将散射进一步降低80%。此研究为双投影系统针对散射校正的硬件改良和升级提供参考与指导。     

甄别级CdZnTe探测器在康普顿散射成像系统中的应用研究

通过分析康普顿散射成像系统及CdZnTe探测器性能,并考虑到相应核电子学电路的噪声特性,设计了用于康普顿散射成像系统的甄别级CdZnTe探测器,并设计了与探测器相适应的低噪声小尺寸电荷灵敏前置放大器和主放大器。在常温下,5 mm×5 mm×5 mm的甄别级CdZnTe探测器与小尺寸核电子学电路系统对于662 keV的~(137)Cs源,其能量分辨率小于4%。     

基于卷积神经网络的μ子散射成像材料识别方法研究

本文采用卷积神经网络的机器学习方法进行了μ子成像的材料识别，通过迭代训练数据获得最优模型并测试样品在不同测量时间下的识别准确度。在中国原子能科学研究院的μ子散射成像装置上开展了不同材料的测试实验，根据实验测量数据进行径迹重建并计算μ子的入射和散射角，构建基于卷积神经网络结构的材料识别模型进行特征提取，实现对材料的分类识别，并进一步引入残差和特征矩阵提高了材料的识别准确度。实验结果表明，对于10 cm×10 cm×10 cm的钨块，材料识别准确度在测量5 min时达到99.1%,在测量10 min时达到100.0%。这种基于卷积神经网络的方法为μ子散射成像材料识别提供了一种新途径。