基于散射和次级诱发中子的缪子多模态成像

严江余 张全虎 霍勇刚

(火箭军工程大学核工程学院,西安 710025)

现有以散射为主的宇宙线缪子成像难以从高原子序数材料中有效区分特殊核材料,利用缪子在特殊核材料中产生的次级诱发中子标记入射缪子,可从高原子序数材料中辨别特殊核材料,但其成像时间长且成像质量较低.缪子多模态成像利用缪子穿透材料的散射信息以及被材料阻止时产生次级诱发中子的缪子信息,可有效解决单一成像方法的不足.基于GEANT4 程序设置探测模型,以Cosmic-ray Shower Library 为缪子源,开发了与诱发中子符合的缪子成像、缪子散射成像、缪子多模态成像模拟程序,并在模拟数据的基础上分别实现了成像算法,得到了不同模型的成像结果.模拟结果表明,基于散射和次级诱发中子的缪子多模态成像不仅成像快、质量高,而且能明显区分特殊核材料与其他高原子序数材料,具有探测特殊核材料的独特优势.

1 引言

入射大气层的初级宇宙射线与大气原子核发生相互作用产生大量次级粒子,其中大部分为数量相近的不同电性的π 介子,带电π 介子又会衰变为缪子[1].宇宙线缪子具有单位电荷,质量约为质子质量的1/9,电子质量的207 倍,静止寿命大约为2.2 µs[2].到达海平面的缪子具有广泛的能量分布,平均能量为3—4 GeV,通量为1×104m–2·min–1[3].缪子与物质主要有三种相互作用形式,分别为能量损失、完全吸收和多次库伦散射[4].自1936 年安德森通过云室测量宇宙线粒子能损发现缪子以来[5],科研人员……