Мюонная радиография (литературный обзор)

Публиченко П.А.http://publichenko.ru/

Программа доклада

• Спектр мюонов• Эффект множественного рассеивания• Идея разделения вещества по углу

рассеивания• Трехмерный алгоритм реконструкции объекта• Проблема выделения высоких Z в плотном

объеме• Области применения• Выводы

Литература

• Мюоны космических лучей как детектор контрабандного урана (01.06.2003)• Восстановление изображения и определение Z вещества путем мюонной

радиографии (19.10.2003)• Радиография внутренней структуры горы West Iwate с помощью космических

мюонов под углом близким к горизонтали и будущие разработки (19.09.2005) • MGR: Инновационный, дешевый и компактный датчик космических лучей

(13.06.2006) • Развитие эмульсионной системы формирования изображения в мюонной

радиографии для исследования внутренней структуру вулкана, горы Asama (7.03.2007)

• Мюонная радиография больших промышленных конструкций (19.04.2007) • Промышленная радиография с помощью космических мюонов: доклад о

достигнутых результатах (18.05.2007) • Формирование изображений высокого разрешения в неоднородной земной коре

с помощью мюонной радиографии. Структура плотности ниже вулканического дна кратера горы Asama, Япония (8.09.2007)

Ядерные взаимодействия в атмосфере

Космические лучи состоят в основном из протонов, приходящих на Землю с огромными энергиями, достигающими энергии яблока падающего с нескольких метров на Землю.

Когда протон космических лучей соударяется с молекулой воздуха, обычно на высоте 15 км, возникает ливень энергичных частиц и радиации.

Поскольку рожденные мюоны движутся со скоростями близкими к скорости света, их короткое время жизни (2.1 мкс) растягивается за счет релятивистского эффекта и позволяет достичь поверхности Земли без распада.

Спектр мюонов

По результатам диссертации:

«Спектры и зенитно-угловые распределения мюонов высоких энергий как решение задачи о прохождении космических лучей через атмосферу земли»

Кочанов Алексей Александрович

Иркутский государственный университет, май 2008

Научный руководитель: д.ф.-м.н. Синеговский Сергей Иванович

Официальные оппоненты:д.ф.-м.н, профессор Волкова Людмила Валериевнад.ф.-м.н., профессор Кичигин Геннадий Николаевич (ИСЗФ СО РАН, Иркутск)

Ведущая организация: НИИ ЯФ им. Д.В.Скобельцына МГУ

Защита диссертации состоится 7 мая 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.212.074.04 при Иркутском государственном университете по адресу: 664003, Иркутск, бульвар Гагарина, 20.

Спектр µ на уровне моря (θ≈0)

Спектр почти плоский ниже 1 ГэВ и падает как p – 2.7 до импульсов выше 10 ГэВ. Среднее значение импульса 3-4 ГэВ.

Поток мюонов наибольший в зените и падает с углом θ примерно как cos2(θ), где θ – угол к вертикали.

Средний поток - около 10000 на 1 м2 за 1 мин.

Энергетический спектр мюонов вблизи вертикали на уровне моря. При очень высоких энергиях.

Спектр мюонов

Неопределенности потоков атмосферных мюонов высоких энергий и спектр первичных космических лучей. 29-я РККЛ, Москва, 2006, А.А.Кочанов, Т.С.Синеговская, С.И.Синеговский, Иркутский государственный университет

Рассеивание мюонов в веществе

Материал Z Отклонеиие

Пластмасса   ~2

Алюминий 13 5

боросиликатное стекло - ~4

Железо 26 11

Вольфрам 74 27

Свинец 82 20

Уран 92 29

Плутоний 94 30

Отклонение (мрад) мюонов 3 ГэВ при прохождении 10 см вещества30 мрад = 1.7°

Многократное рассеяние

- Среднеквадратичный угол многократного рассеяния σθ, где βc – скорость (βc=1), p – импульс, L0 – радиационная длина

- удельное рассеивание на единицу длины, «сила рассеивания»

- упрощенная формула - точность измерения

Многократное рассеяние. Заряженная частица, движущаяся в веществе, испытывает большое число столкновений, приводящих к изменению направления её движения. Этот процесс называется многократным кулоновским рассеянием.

«Сила» рассеяние от Z

Радиационная длина и среднеквадратичное рассеивание на единицу глубины для мюонов с энергией 3 ГэВ для различных материалов. Показана зависимость от Z материала.

Принцип работы

Верхний детектор используется для регистрации координат падающих мюонов. Область измерения объекта делится на вокселы. В нижнем детекторе рассеивание происходит в веществе с известной плотностью, этот детектор служит для определения энергии (имульса) мюона.

Обнаружение атомной бомбы

• Плутоний-239 и сильно обогащенный уран (20% урана-235) – сырье для атомной бомбы. В мире гораздо больше обогащенного урана, чем плутония, уран-235 более доступен для террористов.

• Уран-235 представляет проблему для обнаружения, так как не имеет значительную нейтронную эмиссию, а родное гамма излучение может быть экранировано свинцовой (вольфрамовой) коробкой.

• Для бомбы достаточно 4 кг плутония или 20 кг обогащенного урана, сырая бомба из 150-200 урана. Мировой запас неочищенного урана – 1600 т, плутония – 450 т.

• Несмотря на то, что гамма лучи позволяют обнаружить обогащенный уран и его экранирующие материалы, мюонная радиография дает более высокое разрешение.

Сканировании грузовых трейлеров

Преимущества мюонной техники над гамма сканерами:

• Используется Co-60 для гамма- сканнеров, период полураспада 5 лет.

• Гамма радиография дает двухмерную картинку, что затрудняет поиск ядерного материала окруженного металлическими частями автомобиля.

• Перекрытие гамма теней загромождает картинку, создает помехи.

• Мюоны имеют большую проникающую способность. Гамма лучи с энергией 1 МэВ (Co-60) проходят через 1 мм свинца, мюоны на уровне моря с энергией 3 ГэВ – почти 2 м свинца!

• Мюоны способны обнаружить ядерные вещества в окружении материалов с большим Z.

Сканировании грузовых трейлеров

Принцип работы

Алгоритм 3-мерной реконструкции объекта – алгоритм на базе «точки наилучшего приближения» (the point of closet approach algorithm)

РезультатВ установке используются 4 позиционно чувствительных дрейфовых камеры с линией задержки (delay line readout drift chambers)

2 группы детекторов по 2 ортогональным координатам

2 пластиковых сцинтиллятора в связке с дрейфовой камерой обеспечивают временной триггер для линии задержки

Детектор измеряет координаты с точностью 400 мкм

Алгоритм обнаружение больших Z

Алгоритм ломанных лучей (“ray crossing” algorithm)

• Исключить все треки с углом рассеяния меньше заданного.

• Исключить все треки, которые не граничат с другими треками в области определенного радиуса.

• Для каждого воксела восстановленного объема подсчитать количество пар отрезков, которые имеют точку пересечения (точку наилучшего приближения) в данном вокселе.

• Нормировать сигнал воксела разделив его на исходное кол-во отрехков проходящих через воксел.

• Выделить области объема, в которых сигнал воксела превышает определенный порог.

Результат обнаружения больших Z

Реконструкция по расчетным данным. Облучение мюонами в течение 1 мин грузового контейнера 6x2.4x2.4 м3 содержащего 12 тон распределенного по объему железа с тремя спрятанными кирпичами урана 9x9x12 м3 (a) и без кирпичей (b). Это реконструкция была произведена с помощью алгоритма «ломанных лучей» (“ray crossing” algorithm).

Идея – компактные тяжелые объекты создают множество сильно рассеянных лучей, которые расположенных в малом объеме, в то время как материал со средним Z создает сильно рассеянные лучи в рамках большого объема.

Детектор для мюонной радиографии грунта (MGR)

• Дешевый и компактный трекового детектор

• Сцинтилляционное волокно и многоанодных трубки фотоумножителя (ФЭУ).

• Легко погружается в грунт до 30 м

• Измеряет прохождение мюонного потока в грунте как функцию от направления

Радиография грунта в районе археологических раскопок, Аквила

Скорость счета на уровне земли – 10 Гц, на глубине 9 метров – 8 Гц. Всего 2 млн. событий собранных за 70 часов, в течение 10 дней. Светлые области означают повышенный поток.

Радиография больших промышленных

конструкций • Мюоны имеют большой потенциал для исследования

больших  промышленных конструкций, когда длительное время измерений не критично;

• интенсивная низкоэнергичные мюоны способны обнаруживать объекты с высоким Z и размерами порядка 10 см;

• требуются детекторы большой площади;• пластиковые сцинтилляторы – дешево стоят и

занимают мало места;• сцинтилляционные плиты площадью до 1 м2 и

толщиной 76.2 мм проходят тестирование в ядерной промышленности.

Горы Iwate, Япония

Измерения внутренней структуры действующего вулкана горы West Iwate.

Измерения внутренней структуры действующего вулкана горы West Iwate.

Измерили плотность области, расположенной на глубине 160 м под пиком горы Kurokura и сравнили с гравиметрическими (весовыми) данными.

Детектор мюонов (Iwate)

Пластиковые сцинтилляторы и трубки ФЭУ.

Анализ множественности мягкой компоненты фона после прохождения через железную пластину между детекторами

Эффективный верт. угол – 0<θ<588 мрад, азимутальный угол 0<θ<588 мрад.

Результаты

Density lengths for θ=198±66 mrad, as obtained by the present measurement. A cut-view presentation along the plane containing the detection system and the summit region for θ=198±66 mrad.

Горы Asama, Япония

Один из самых активных вулканов.

Простой детектор частиц на основе эмульсионной камеры как инструмент для мюонной радиографии вулканов.

Измерение внутренней структуры горы Кама-yama со стороны горы Maekake-yama.

Используя значение плотности для горы, определили, что объем заполнения нижней области кратера (в месте между кромкой кратера и 100 м ниже кромки) составляет 8.1%.

Определена плотность породы горы Кама-yama – 2.25 г/см3.

Детектор (Asama)

Расположение детектора относительно гор

Emulsion chamber comprising two sets of emulsion films in coincidence, three iron plates, and four rubber sheets. The thickness of each iron plate is 3 mm.

Результаты (Asama)

Angular distribution of path length from the topographic map in the top region of Mt. Asama as viewed from Maekake observation point (a). The unit is in meter. (b) The cosmic-ray muon radiograph as plotted with relative muon intensity n(y, f) is shown in the same angle region. The shadow features in the radiograph indicated by Maekake, Mt. #1, and Mt. #2 correspond to the peaks.

Выводы

1. Высокая проникающая способность.2. Отсутствие искусственных источников радиации.3. Высокое разрешение и трехмерная картинка.4. Малое время для анализа транспортных средств.5. Эффективное средство для обнаружения урана-235.6. Высокая точность по сравнению с геодезическими методами

при анализе горных пород вулканов.7. Приемлемое время анализа для промышленных объектов.8. Возможность использования дешевых детекторов для анализа

грунта.9. Повышенный интерес к методике в ракурсе борьбы с

терроризмом.10.Реально действующих сканнеров мало или они находятся

только в разработке.