宇宙线缪子成像关键物理与技术问题研究

宇宙线缪子成像是利用缪子通过被测物质后的散射角分布与物质原子序数相关的物理原理，而发展出的新型辐射成像技术。该技术穿透力强、本质安全，在大型物体和厚屏蔽层内部重核材料的空间分布检测、国防安全迫切需求的无损检测方面具有特殊技术优势，科学意义重大。.本项目将开展特定成像检测需求中的缪子输运过程研究，成像机制与图像重建方法研究，解决缪子成像的关键物理问题；开展高位置分辨率、高探测效率、低成本、大面积MRPC探测器研究，多通道高速波形取样电子学研究，发展面向特定检测需求的高效率、高精度图像重建算法，解决缪子成像的关键技术难题；建立缪子成像原理性实验系统，开展实验研究，验证相关物理与技术问题；为宇宙线缪子成像技术未来在重核材料检测、国防安全无损检测等领域的应用奠定物理和关键技术基础。

1.从理论上和模拟上对缪子输运过程进行了研究，着重研究了多重库仑散射对缪子散射成像的影响，为高精度缪子散射成像算法提供了物理依据；推导了缪子在介质中的最可几径迹及径迹概率分布，为散射成像算法提供了改进的可能性；用先验知识，结合重建图像，提出了一种基于假设检验的介质形变宇宙线缪子分析方法，提高了材料形变检测的效率。；.2.系统研究了宇宙线缪子成像算法，利用蒙特卡罗模拟程序包GEANT4建立了宇宙线缪子成像的模拟平台，为算法研究提供了模拟数据；利用典型成像模型的模拟数据对已有成像算法进行验证，分析了PoCA、MLSD等重建算法；根据μ子多次散射数据的特点，推导出适用于缪子成像的最大后验（MAP）算法；首次从频域角度提出了分析缪子成像分辨率与成像指标关系的方法；针对缪子成像特点，初步建立了缪子成像性能的评价方法；获得了宇宙线缪子成像达到2mm空间分辨率的结果（180天模拟数据）；.3.研制出位置分辨达到350µm、时间分辨达到65ps，效率达到97％的MRPC探测器；在此基础上，研制出大面积，高位置分辨的MRPC样机，为建造宇宙射线断层成像系统打下坚实基础；开展了单模块二维读出MRPC探测器的研制。.4.针对MRPC/RPC探测器的高密度、多通道、高速的读出需求，先后设计实现了基于0.35µm CMOS工艺的8通道高速电流灵敏前置放大器ASIC芯片；首次提出了大面积MRPC探测器的双精细复用读出方法，将电子学总通道数减少约一个量级；同时推导了大面积探测器复用读出的一般数学模型和设计方法，对其它大面积气体探测器的读出设计具有普适性，并申请专利；研制了采用基于开关电容阵列的ASIC芯片的多通道5Gsps超高速波形取样数采电子学；研究并实现了多通道高速电流波形的数字脉冲处理算法、复用位置重建算法和径迹点拟合算法，并成功用于了单层探测器实验和全系统缪子成像实验研究；.5.研究缪子成像系统集成关键技术，研制了缪子成像原理性实验样机，2013年首次获得缪子成像原型装置的大尺寸铅目标物实验图像，获得了特征模型的三维缪子图像；2014年开展了缪子成像原型装置的小尺寸铅字、线对和物质区分实验，利用12天积累数据，能够识别出THU三个字母；在线对模型上，能够识别出10mm的线对；对钨块和铝块，识别效果特别明显。