【摘要】：天然宇宙線繆子散射成像技術(shù)具有無(wú)需人工放射源,穿透力強(qiáng),對(duì)高Z材料敏感等特點(diǎn),適用于探測(cè)隱藏的高Z材料,成為近年來(lái)一個(gè)研究熱點(diǎn)。但由于天然宇宙線繆子通量低,該方法實(shí)現(xiàn)材料鑒別所需的檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)。本論文圍繞基于飛行時(shí)間法的宇宙線繆子能量測(cè)量,能量信息在繆子散射成像中的應(yīng)用及高Z材料快速鑒別等問(wèn)題開(kāi)展了理論和實(shí)驗(yàn)研究。為了將能量信息有效地引入繆子散射成像,并縮短材料鑒別所需時(shí)間,首先基于繆子散射成像理論,研究了引入精確繆子能量信息條件下,繆子散射成像方法在材料鑒別性能方面的物理極限。針對(duì)實(shí)際繆子能量測(cè)量技術(shù)精度有限的問(wèn)題,建立了引入繆子能量分段的材料鑒別方法。通過(guò)蒙卡模擬研究了能量測(cè)量不確定度對(duì)散射成像方法中繆子能量信息的引入方式和材料鑒別性能的影響。分析了繆子散射成像方法對(duì)繆子能量測(cè)量的要求,采用了不顯著改變繆子物理性質(zhì)的飛行時(shí)間法來(lái)測(cè)量繆子能量,并提出了在有限飛行空間內(nèi)提升能量測(cè)量精度的多層飛行時(shí)間法,建立了相應(yīng)的能量分段方法,討論了能量分段性能與繆子事例數(shù)、時(shí)間分辨率和飛行時(shí)間探測(cè)器層數(shù)的關(guān)系。采用時(shí)間分辨率約100ps的MRPC探測(cè)器,搭建了飛行時(shí)間法繆子能量測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái),修正了飛行時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)延遲,實(shí)現(xiàn)了基于飛行時(shí)間法的繆子能量測(cè)量與分段。在清華大學(xué)繆子散射成像原理性實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上,搭建了首套具有飛行時(shí)間法能量測(cè)量功能的繆子散射成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了宇宙線繆子徑跡和能量的同步測(cè)量。參照此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),建立了相應(yīng)的蒙卡模擬方案,給出了基于飛行時(shí)間法能量測(cè)量與分段的材料鑒別方法的理論預(yù)期,實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合預(yù)期。在高Z材料鑒別方面,采用假設(shè)檢驗(yàn)和ROC分析方法給出了高Z材料檢出率以及誤判率隨繆子事例數(shù)的變化規(guī)律,并通過(guò)性能對(duì)比論證了采用飛行時(shí)間法能量測(cè)量與分段,與不引入能量信息相比,ROC曲線的AUC值提升了大約25%。
[Abstract]:The natural cosmic ray mouton scattering imaging technology has many advantages, such as no artificial radiation source, strong penetration, sensitive to high Z material, etc. It is suitable for detecting hidden high Z material, and has become a research hotspot in recent years. However, due to the low flux of natural cosmic rays, it takes a long time to realize material identification. In this paper, theoretical and experimental studies have been carried out on energy measurement of cosmic ray moutons based on time-of-flight method, application of energy information in moutons scattering imaging and rapid identification of high-Z materials. In order to effectively introduce energy information into Miao scattering imaging and shorten the time required for material identification, firstly, based on Miuron scattering imaging theory, the condition of introducing accurate mouton energy information is studied. The physical limit of Miao scattering imaging method in material identification. In order to solve the problem of limited precision of practical meatus energy measurement technique, a material identification method with the introduction of muzzle energy segment is established. The influence of uncertainty of energy measurement on the introduction of energy information and material identification in scattering imaging is studied by Monka simulation. The requirements of Miurus scattering imaging method for energy measurement are analyzed. The time-of-flight method, which does not significantly change the physical properties of the moutons, is used to measure the moutons energy. A multi-layer time-of-flight method is proposed to improve the accuracy of energy measurement in a limited flight space. The corresponding energy segmentation method is established. The relationship between the performance of energy segmentation and the number of examples, time resolution and the number of layers of time-of-flight detector is discussed. Based on the MRPC detector with time resolution about 100ps, the experimental platform of time-of-flight energy measurement is built, and the delay of time-of-flight measurement system is corrected, and the energy measurement and segmentation based on time-of-flight method are realized. On the basis of the principle experimental device of Mius scattering imaging in Tsinghua University, the first experimental system of Miu scattering imaging with the function of time-of-flight energy measurement is set up, and the simultaneous measurement of track and energy of cosmic ray moutons is realized. With reference to the experimental system, the corresponding Monka simulation scheme is established, and the theoretical expectation of the material identification method based on the energy measurement and segmentation of the time-of-flight method is given. The experimental results are basically in line with the expectation. In the aspect of high Z material identification, the rule of the detection rate and misjudgment rate of high Z material with the number of cases is given by using hypothesis test and ROC analysis, and the energy measurement and segmentation by time-of-flight method are demonstrated through the performance comparison. The AUC value of the ROC curve is about 25% higher than that without energy information.
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：O572.1

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本文編號(hào)：2203890