庞洪超，刘森林，王红艳，徐勇军，杨宏伟，王列民

（中国原子能科学研究院 辐射安全研究部，北京 102413）

2003年美国洛斯阿拉莫斯实验室首先报道可利用宇宙射线μ子对重核物质辐射成像［1］，引起国内外科学家的广泛关注［2－5］。天然宇宙射线μ子能量高，穿透能力强，不会对环境和人员造成额外辐射，在探测重核物质方面具有很大优势。本课题组也对μ子探测重核物质进行了前期研究并取得一定成果［6－7］。本文在前期研究的基础上，采用Geant4建立宇宙射线μ子探测高Z材料的仿真系统，研究漂移管探测器位置分辨率及系统成像时间对成像效果的影响，同时为漂移管的设计加工提供理论依据。

1 仿真模型的建立

图1为宇宙射线μ子成像检测系统仿真模型结构图，上下各两组探测器，中间区域为有效探测区域。当μ子穿过上两组探测器时，能准确确定μ子的入射位置坐标，当μ子穿过待测物并从下面两组探测器射出时，通过同样方法可确定μ子的出射位置坐标。通过探测器记录的数据可计算出μ子的位置和角度偏移信息，从而进一步确定探测区域是否含有高Z物质。

图1 Geant4构建μ子探测系统仿真模型Fig.1 Model of muons detector system using Geant4simulation

探测器选择位置灵敏探测器漂移管（DT），DT由外直径30mm、壁厚0.6mm、长1 000mm的铝管（阴极），端头和直径为50μm的镀金钨丝（阳极）组成，管内充气压为300kPa的氩和二氧化碳（体积比为93∶7）的混合气体。

为增加模拟真实性，编写了宇宙射线μ子产生器，使μ子的角分布和能谱分布与真实海平面μ子一致［7－8］。

探测空间为1m×1m×1m的立方体，内装两个物体，其中1个为直径10cm的铁球，另1个为直径8cm的铀球，其中铀球的外面屏蔽一厚为1cm的铁壳。上两层探测器间距离与下两层探测器间距离均为20cm。采用最大似然法［4－5］进行模拟计算。

2 漂移管位置分辨率对成像结果的影响

μ子产生器产生1min的入射粒子，最大似然算法迭代100次，探测器位置分辨率分别取0、200、300、400、500、1 000μm。成像显示以像素的散射密度λ进行划分，像素大小为10cm×10cm×10cm。当5＞λ≥1时，表示为低Z物质，用浅灰色显示；15＞λ≥5，表示中Z物质，用深灰色显示；λ≥15，表示为高Z物质，用黑色显示（图2）。由图2可看出，随探测器位置分辨率的增大，系统的成像效果逐渐变差。位置分辨率小于200μm时，在铀球的位置出现黑色，铁球的位置出现深灰色，并出现几个浅灰色干扰点，成像效果理想。当探测器的位置分辨率取400μm时，成像区域出现较大的深灰色干扰点，成像效果变差，当探测器的位置分辨率为1mm时，虽然铀球的位置还能出现黑色但深灰色干扰点较多，已无法区分物体。可看出，探测器的位置分辨率优于200μm时可得到理想的成像结果。

3 成像时间对成像结果的影响

选取探测器的位置分辨率为200μm，算法迭代次数取100，μ子的入射时间分别为30s、1min、2min，得到的成像结果示于图3。由图3可看出，在探测器的位置分辨率及算法迭代次数一定时，成像效果随入射μ子数增加逐渐变好。当系统探测时间为30s时，铀球位置出现黑色，而铁球位置未出现，其它像素出现干扰点，成像效果差；当探测时间为1min时，铀球和铁球均出现，且出现几个小散射密度点；当时间为2min时，效果非常理想，出现了铀、铁散射点，且干扰散射点的散射密度均小于1。可见，系统成像时间在1～2min内能得到理想的成像结果。

图2 成像效果与探测器位置分辨率的关系Fig.2 Relationship between imaging and detector resolution

图3 成像效果与系统探测时间的关系Fig.3 Relationship between imaging results and detecting time

4 结论

1）利用宇宙射线μ子实现高Z材料的快速探测是可行的。在漂移管的位置分辨率为200μm左右、成像时间1～2min内可得到理想的成像结果。

2）探测μ子的漂移管需具有200μm以内的位置分辨率，高于此值，辨别物体就存在困难，即本文的研究也为探测器的设计加工提供了理论依据。

3）本文的研究是基于蒙特卡罗方法的模拟研究，且探测区域情况较为理想，要将此方法进行实际应用，需做大量的实验工作。

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