利用宇宙线对高Z物质进行成像的技术研究

论文摘要

利用宇宙线对重核物质进行成像的技术是一种新型重核物质检测技术。本课题利用宇宙线μ子作为粒子射线源,采用新型高位置分辨阻性板室(Resistive Plate Chamber,简称RPC)气体探测器系统,研制成功了可实现宇宙线重核成像的系统,获得了具有较好分辨率的20cm×10cm×15cm铅块的宇宙线辐射成像实验结果。首先开展了利用宇宙线μ子对高Z物质成像的可行性研究。利用蒙特卡罗模拟工具Geant4模拟了μ子与不同原子序数物质的相互作用,分析μ子经过多次库仑散射后的散射角分布与物质原子序数的关系。通过对散射角分布的分析,提出了μ子径迹探测器亚毫米级的位置分辨要求,以及系统原型设计方案。PoCA算法(Point of Closest Approach algorithm)是一种利用μ子多次库仑散射角分布与物质原子序数的对应关系而建立的宇宙线辐射成像算法。本论文软件实现了PoCA成像算法,利用该算法对蒙特卡罗模拟实验数据进行图像重建,并研究了散射角测量误差对重建图像的分辨率的影响。阻性板室探测器探测效率能达到95%以上,可大面积使用、成本低、制造工艺相对简单,可作为μ子径迹探测器。理论研究了感应电荷在阻性膜上的扩散过程。从理论和实验两方面分别分析了信号采集时间窗口以及阻性膜的面电阻率大小对电荷扩散的影响。研制了具有亚毫米级位置分辨能力的一维信号读出RPC、二维信号读出RPC、大面积二维信号读出的高位置分辨RPC探测器。探测器的位置分辨能力、探测效率等重要指标达到国际同类探测器的领先水平。搭建了灵敏探测体积为40cm×40cm×80cm的宇宙线辐射成像系统,具有80%的探测效率。对系统中各探测器的空间定位方法进行了实验研究并确定了系统位置修正方法。对20cm×10cm×15cm的铅块进行了宇宙线辐射测量并重建图像,获得了分辨率较好的宇宙线辐射成像实验结果。本课题对宇宙线辐射成像技术中的高位置分辨探测器、成像算法等几项关键技术进行了深入研究,得到了高水平的研究结果。建立了利用宇宙线对重核物质的空间分布进行检测的原理性系统,取得了较好的宇宙线对重核材料的成像结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景与意义
• 1.2 重核物质探测的特点
• 1.2.1 重核物质的概述
• 1.2.2 重核物质的放射性检测法
• 1.2.3 重核物质的X 射线辐射成像法
• 1.2.4 重核物质的质子辐射成像法
• 1.3 μ子辐射成像检测法的研究历程及研究现状
• 1.3.1 μ子辐射成像法的研究历程
• 1.3.2 μ子辐射成像检测法的研究现状
• 1.4 课题目的和研究内容
• 第2章 宇宙线辐射成像物理基础及初步计算
• 2.1 宇宙线μ子与物质的相互作用
• 2.1.1 宇宙线通量及μ子能谱
• 2.1.2 宇宙线μ子的电离能损
• 2.1.3 宇宙线μ子的多次库仑散射
• 2.1.4 宇宙线μ子与物质作用的模拟研究
• 2.1.5 μ子探测器的位置分辨要求
• 2.1.6 利用散射角成像的可行性分析
• 2.2 气体探测器测量μ子的原理
• 2.2.1 气体中电子、离子运动规律
• 2.2.2 气体放电
• 2.2.3 气体探测器的分类
• 2.3 本章小结
• 第3章 高位置分辨阻性板探测器性能的物理模拟及实验研究
• 3.1 阻性板室概述
• 3.1.1 阻性板室结构及工作原理
• 3.1.2 阻性板室的特点
• 3.1.3 多层阻性板室探测器
• 3.2 阻性板室位置分辨能力的理论研究
• 3.2.1 雪崩电荷的形成过程
• 3.2.2 阻性板室的电容模型
• 3.2.3 电荷在阻性碳膜上的扩散过程
• 3.3 不同宽度读出条对阻性板室性能影响的模拟及实验研究
• 3.3.1 研究目的及计算模型
• 3.3.2 电荷扩散过程的电荷信号模拟
• 3.3.3 电荷扩散过程的电流信号模拟
• 3.4 不同电阻率高压极对阻性板室性能影响的模拟与实验研究
• 3.4.1 研究目的及计算模型
• 3.4.2 碳膜电阻率对电荷扩散速度的影响
• 3.4.3 碳膜电阻率对电荷扩散分布的影响
• 3.4.4 研究结论
• 3.5 不同数据采集时间窗口对阻性板室性能影响的模拟与实验研究..
• 3.5.1 研究目的及计算模型
• 3.5.2 时间窗口宽度对电荷扩散信号影响
• 3.5.3 研究结论
• 3.6 本章小结
• 第4章 不同规格高位置分辨阻性板探测器单元的研制及性能测试
• 4.1 高位置分辨RPC 探测单元的研制
• 4.1.1 探测器结构
• 4.1.2 实验系统的组成
• 4.1.3 数据处理与分析
• 4.1.4 性能测试
• 4.2 二维读出的MRPC 探测单元的研制
• 4.2.1 二维读出结构的初步设计
• 4.2.2 二维读出结构的模拟计算
• 4.2.3 二维读出RPC 探测单元的性能测试
• 4.3 大面积二维读出的MRPC 探测单元的研制
• 4.3.1 探测器结构及工作参数
• 4.3.2 性能测试
• 4.4 本章小结
• 第5章 μ子成像算法实现
• 5.1 断层成像重建算法架构
• 5.1.1 传统断层成像架构
• 5.1.2 多次库仑散射信号架构
• 5.2 Point of Closest Approach （PoCA） 重建算法
• 5.2.1 二维PoCA 算法介绍
• 5.2.2 PoCA 算法的软件实现
• 5.3 PoCA 算法对模拟数据的重建
• 5.3.1 实验框架
• 5.3.2 模拟实验及重建结果
• 5.3.3 测量误差对成像结果的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 系统的性能测试及成像研究
• 6.1 μ子径迹探测器系统的搭建
• 6.1.1 实验系统
• 6.1.2 系统的位置刻度
• 6.1.3 数据分析及处理
• 6.2 μ子径迹探测器系统的性能测试
• 6.3 利用宇宙线μ子对重核物质成像的实验研究
• 6.3.1 用于图像重建的数据分析
• 6.3.2 像素为物体大小的重建图像分析
• 6.3.3 像素小于物体大小的重建图像分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 研究总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果