基于国产微网气体探测器的μ子成像研究

The technology of cosmic ray muons non-destructing imaging has been used in the field of nuclear material, archaeology and geology, among others. The hi-tech achievements that are obtained by foreign research teams are recently reported in Journal “Nature” and “Science”. It’s essential to make the research on the system of muons non-destructing imaging and its application of engineering in China. The technology of cosmic ray muons non-destructing imaging is considered to be effective and practical in the field of national security, nuclear disarmament and nuclear safety, which is complementary to the current radiation imaging technology. In this project, the Bulk-Micromegas detector with the effective area 20 cm x 20 cm will be used to build a muons imaging system with the spatial resolution of 1 mm. And then, the technology of micro-mesh production and system building will be mastered in this process. Based on APV25 front-end electronics chip, the multi-channel digital acquisition system with low noise can improve the utilization rate of electronics by optimizing the readout channel. The low flux and incomplete angles of muons lead to the long-time imaging and noise point. To improve the image quality, the medical imaging algorithm is put forward. The ROC curve was used to control and evaluate the quality of reconstructed image. In this project, a series of fundamental research on the system of muons imaging will be used to make the identification and the imaging of materials with different atomic numbers.

《Nature》和《Science》杂志近年来多次报道了国外科研团队使用宇宙射线μ子无损成像技术在核材料，考古及地质等应用方面的高新成果，因此国内研究μ子无损成像系统及其在工程应用方面迫在眉睫。μ子成像在国家安全、核武减裁及核电安全领域被视为一项非常有效和实用的检测技术，和当前辐射成像技术形成补充。本项目拟通过使用自主研发有效面积为20cm×20cm的Bulk-Micromegas微网探测器，搭建一台位置分辨率为1mm的μ子成像系统，掌握微网制作工艺和系统搭建的关键技术；基于APV25前端电子学芯片自主研发低噪声的多路数字化采集系统，通过优化读出通道提高电子学的利用率；通过医学成像算法改善u子通量低、角度不完整带来的成像时间长和噪点多的缺陷；使用ROC曲线对重建图像质量进行控制和评估。本项目通过对μ子成像系统的原理和技术展开一系列基础研究，完成不同原子序数材料的鉴别和物质成像。

μ子成像在国家安全、核武减裁及核电安全领域被视为一项非常有效和实用的检测技术，和当前有源辐射成像技术形成补充。本项目组自主研发有效面积为20 cm×20 cm的Bulk-Micromegas微网探测器，对单个探测器的位置分辨、能量分辨以及增益进行了充分测试；同时对多个探测器进行了联合调试和信号一致性测量，确定了最佳的探测器工作条件，最佳触发时间、符合时间窗；搭建了一套由6层探测器组成的缪子成像探测系统，经过实验测试该系统的位置分辨率好于预定指标1mm，实际测试为0.6 mm，的μ子成像系统；通过该研究项目组掌握国产Bulk技术的微网制作工艺和缪子成像系统搭建的关键技术；基于APV25前端电子学芯片开发了自主研发低噪声的多路数字化采集系统，通过优化读出通道提高电子学的利用率；通过医学成像算法改善u子通量低、角度不完整带来的成像时间长和噪点多的缺陷。该项目利用蒙特卡罗模拟软件实现了缪子成像系统的全模拟，开了多种图像重建算法和重建技术，如基于密度聚类优化了重建图像；提出了一种符合径迹密度成像技术，在蒙特卡罗模拟层面进行了充分的验证，实现了物质的四维成像；修正了有限角度成像算法解决了缪子因为入射角度不完备导致重建成像不完整的问题；探索了缪散射成像技术和径迹成像技术的混合成像；开展了重建图像量评估技术,引入了峰值信噪比PSNR（Peak Signal to Noise Ratio）参数，量化计算了重建图像与参考图像之间像素误差来衡量图像质量好坏。本项目通过对μ子成像系统的原理和技术展开一系列基础研究，完成不同原子序数材料的鉴别和物质成像。