CN103308938A - 缪子能量、径迹测量及成像系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种缪子能量、径迹测量及成像系统与方法，该系统包括：被测物体，其中，宇宙中天然存在的缪子穿经被测物体；缪子径迹测量子系统，缪子径迹测量子系统与被测物体相连，用于测量缪子穿经被测物体过程中的径迹信息；缪子能量测量子系统，缪子能量测量子系统与被测物体相连，用于测量缪子穿经被测物体过程中的能量信息；缪子计算成像子系统，缪子计算成像子系统与缪子径迹测量子系统和缪子能量测量子系统相连，用于综合利用缪子穿经被测物体过程中能量信息和径迹信息对被测物体进行图像重建。本发明具有信息综合利用程度高、成像质量好的优点。

Description

缪子能量、径迹测量及成像系统与方法

技术领域

本发明涉及辐射测量、辐射成像领域，具体涉及一种宇宙线缪子(简称缪子，下文中均采用简称)能量、径迹测量及成像系统与方法。

背景技术

1936年，安德森和他的学生尼德美尔用1cm厚的铂板来测量宇宙线能损时，用云雾室揭示出宇宙线中缪子（muon）的存在。缪子作为一种穿透性极强的高能带电粒子，可以很轻易地穿透厚的屏蔽层，静止质量为105.7MeV，约为电子质量的207倍，既可以带正电，也可以带负电。缪子为带电粒子，质量介于电子和质子之间，所以缪子与物质发生相互作用时，μ+更像一个轻质子或重正电子，μ-更像一个重电子。这使得其与物质的相互作用相当复杂。所有带电粒子进入靶物质（或称为阻止介质、吸收介质）时，主要与物质原子发生库伦（Coulomb）相互作用，包括与原子核及核外电子的弹性散射和非弹性散射。

带电粒子穿过介质时，很多小角度的散射会引起其偏转。大多数偏转由原子核的库伦散射（Coulomb Scattering）引起，因此这种效应称之为多重库伦散射（Multiple CoulombScattering）。库伦散射分布可以由Molière理论很好地描述，对于小角度偏转可以近似为高斯分布。

若定义

${\mathrm{\θ}}_0={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{plane}}^{\mathrm{rms}}=\frac{1}{\sqrt{2}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{space}}^{\mathrm{rms}}$     公式1

那么，投影角分布中心98%的部分可用高斯分布进行近似，足够开展很多应用。散射角分布宽度为：

${\mathrm{\θ}}_0=\frac{13.6\mathrm{MeV}}{\mathrm{\βcp}}z\sqrt{x/X_0}[1+0.038\ln (x/X_0)]$     公式2

其中p、βc、z为入射粒子动量、速度、电荷量，X₀为散射介质辐射长度，x/X₀是以辐射长度为单位的介质物体厚度。介质的辐射长度与其原子序数息息相关，从而可以实现根据散射角分布宽度推算介质的原子序数乃至组成结构。

从散射角分布宽度公式（即公式2）可以得到，缪子入射到相同厚度的介质中，其散射角分布宽度与该散射介质辐射长度成反比。也就是说，辐射长度越长，散射角分布宽度就越小。一般来说，随着介质原子序数的增大，缪子在其中的散射长度越短，其散射角分布宽度相应就会变大。如图1中所示，对于单位长度高Z介质与低Z介质而言，缪子穿过后的散射角均方值存在显著差异。

因此，缪子成像主要应用于高Z物质(即重核材料，例如放射性元素)检测及成像领域，现有的缪子成像技术方法（参见专利US8288721）利用了入射缪子及出射缪子的径迹信息，根据散射角分布情况重建被检物图像，并且所使用的散射角分布公式中β取值为1，没有充分利用缪子的能量信息。随着缪子成像方法与技术的日益发展，如何利用缪子的其他信息（例如能量信息）提升缪子成像性能，以及如何实现适用于缪子成像系统的缪子其他信息（例如能量）测量成为一个必须解决的难题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有综合利用了缪子能量、径迹信息，成像质量高的缪子能量、径迹测量及成像系统。本发明的另一目的在于提出一种具有综合利用了缪子能量、径迹信息，成像质量高的缪子能量、径迹测量及成像方法。

根据本发明实施例的缪子能量、径迹测量及成像系统，包括：被测物体，其中，宇宙中天然存在的缪子穿过所述被测物体；缪子径迹测量子系统，所述缪子径迹测量子系统与所述被测物体相连，用于测量所述缪子穿经所述被测物体过程中的径迹信息；缪子能量测量子系统，所述缪子能量测量子系统与所述被测物体相连，用于测量所述缪子穿经所述被测物体过程中的能量信息；以及缪子计算成像子系统，所述缪子计算成像子系统与所述缪子径迹测量子系统和缪子能量测量子系统相连，用于综合利用所述缪子穿经所述被测物体过程中能量信息和径迹信息对所述被测物体进行图像重建。

在本发明的一个实施例中，所述缪子径迹测量子系统进一步包括缪子入射径迹测量模块和缪子出射径迹测量模块。

在本发明的一个实施例中，所述缪子入射径迹测量模块和缪子出射径迹测量模块分别采用一组至少两块平行放置的高位置分辨探测器，分别获取入射径迹和出射径迹上的坐标点，通过径迹拟合算法，得到入射缪子和出射缪子的径迹信息。

在本发明的一个实施例中，所述缪子能量测量子系统进一步包括缪子入射能量测量模块和缪子出射能量测量模块。

在本发明的一个实施例中，所述缪子入射能量测量模块采用一组两块已知间距为d的平行放置的高时间分辨探测器，记录缪子到达两块探测器板的时间差。

在本发明的一个实施例中，所述缪子的能量E的计算公式为：

其中，缪子静止质量m₀，飞过探测器板间的距离d，缪子径迹与垂直方向的夹角θ（天顶角），光速c以及缪子飞过探测器板的时间差Δt。

在本发明的一个实施例中，还包括：缪子散射体，所述缪子散射体位于所述缪子和所述被测物体之间，用于改变入射缪子能量分布。

在本发明的一个实施例中，所述缪子散射体的材料为对缪子具有衰减效果的材料。

根据本发明实施例的缪子能量、径迹测量及成像方法，该方法采用上述的缪子能量、径迹测量及成像系统，包括以下步骤：

A．利用所述缪子径迹测量子系统测量得到缪子入射径迹信息和出射径迹信息；

B．利用所述缪子能量测量子系统测量得到缪子入射能量信息和出射能量信息；

C．利用缪子能量信息和缪子径迹信息，所述缪子计算成像子系统进行缪子成像。

在本发明的一个实施例中，在所述步骤A之前还包括：S.放置缪子散射体，当所述缪子穿过所述缪子散射体时，其天然能谱发生改变。

综上所述，本发明缪子能量、径迹测量及成像方法与装置能够综合利用能量信息与径迹信息实现被检物图像重建，与现有技术相比，其有益效果为：本发明增加利用了每一个事件中的缪子能量信息，有利于更为准确地使用计算模型，提高缪子成像技术性能；本发明可以测量入射缪子能量信息，从而筛选能量处于一定范围的缪子进行成像，有利于提高缪子成像技术性能；本发明根据被检物特点及成像需求，利用散射体实现缪子能量分布调制，针对性地提高有利于提升缪子成像技术性能的缪子的比例。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是缪子经过单位长度不同介质材料的散射角均方值图；

图2是本发明实施例的缪子能量、径迹测量及成像系统的结构示意图；

图3是本发明另一带有缪子散射体的缪子能量、径迹测量及成像系统的结构示意图；

图4是图3所示系统的具体实施方式的结构示意图；

图5是本发明实施例的缪子能量、径迹测量及成像方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。

如背景技术中说的，现有的缪子成像技术的基本原理为：通过实验测得缪子穿过介质后的散射角分布，根据散射角分布与介质原子序数之间的对应关系，利用图像重建算法，从而获得该被检物中的重核物质分布情况，实现对该被检物的成像。而本发明提出一种改进的缪子成像方法和装置，综合利用了缪子散射角信息、能量信息以及径迹信息的，具有更好的成像性能。

使本领域技术人员更好地理解本发明，下面对发明原理做详细解释。

有研究表明，缪子能量对散射角均方值有着显著影响。表1列举了不同能量缪子多次库伦散射形成的散射角的大小。其中可以看出，对于低能段的缪子，其穿透不同介质后的散射角均方值相对差异更大。因此，对于缪子成像系统而言，缪子能量信息有着重要的意义。

表1不同能量缪子多次库伦散射形成的散射角的大小

缪子能量信息首先可以帮助我们使用更准确的计算模型。当前缪子成像系统无法实现缪子入射能量或速度的测量，因此，对于散射角分布宽度公式（即公式2）中与缪子速度相关的量均采取近似处理。缪子能量信息还可以帮助我们筛选缪子事件。在研究中发现，较低能量的缪子的散射信息更有利于图像重建，通过对入射缪子能量的筛选，可以剔除一部分冗余信息，从而提供图像重建效果。

下面结合附图阐述本发明的方法及装置。

图2为本发明实施例的缪子能量、径迹测量及成像系统的示意图。

如图2所示，该系统包括：缪子径迹测量子系统20，缪子能量测量子系统30，被测物体40以及缪子计算成像子系统50（图中未示出）。其中，宇宙中天然具有缪子，该缪子穿经被测物体40；缪子径迹测量子系统20用于测量该缪子穿经被测物体40过程中的径迹信息；缪子能量测量子系统30用于测量该缪子穿经被测物体40过程中的能量信息；缪子计算成像子系统50与缪子径迹测量子系统20和缪子能量测量子系统相连30，用于综合利用缪子穿经被测物体40过程中能量信息和径迹信息对被测物体40进行图像重建。具体地：

在缪子径迹测量子系统20中，包括缪子入射径迹测量模块201和缪子出射径迹测量模块202。该缪子入射径迹测量模块201和缪子出射径迹测量模块202分别采用一组三块平行放置的高位置分辨探测器分别获取入射径迹和出射径迹上的三个坐标点，通过直线拟合算法，得到入射缪子和出射缪子的径迹信息。当然，本发明也可以使用每组两块或其他数目的探测器实现径迹测量；本发明也可以使用并非平行放置的探测器来实现径迹测量。

在缪子能量测量子系统30中，包括缪子入射能量测量模块301和缪子出射能量测量模块302。该缪子入射能量测量模块301和缪子出射能量测量模块302分别采用一组两块已知间距为d的平行放置的高时间分辨探测器，记录缪子到达两块探测器板的时间t1和t2。入射缪子飞行时间Δt=t2-t1将作为重要的测量入射缪子能量的参数。当然，本发明也可以使用其他数目的探测器实现飞行时间测量。在本发明实例中，可以采用飞行时间法测量缪子的能量。结合缪子静止质量m₀，飞过探测器板间的距离d，缪子径迹与垂直方向的夹角θ（天顶角），光速c以及缪子飞过探测器板的时间差Δt，可以计算得到入射缪子的速度与能量E：

$E=(\frac{1}{\sqrt{1-{(d/\left(\mathrm{c\Δ}t\cos \mathrm{\θ}\right))}^2}}-1)m_0{c}^2$     公式3

需要说明的是，入射缪子能量测量中所使用的测量方法需要不明显改变入射缪子的基本物理参数，如通量、动量等。出射缪子的能量测量不必考虑所用方法对出射缪子物理参数的改变，能量测量方法的选取更加灵活。可以根据实际被检物的情况以及成像需求选择同时测量入射和出射缪子能量，也可以仅仅测量入射或出射缪子能量。

缪子计算成像子系统50根据缪子的能量和径迹信息进行成像，以推测出被检物体40的形状特征、核素特征及分布特征等信息，获得更好的成像性能。

在本发明的一个优选实施例中，如图3所示，还可以在缪子和被测物体40之间设置缪子散射体10，该缪子散射体10用于改变入射缪子能量分布。

缪子散射体10选用对缪子具有衰减效果的材料（例如：铅）制成，选用不同厚度的不同材料及厚度的散射体可以获得具有不同能量分布的入射缪子，从而提高对当前被检物体而言最有利的能量段的缪子通量所占比例。缪子散射体10的材料或及其厚度可以根据实际成像需求进行调整。需要说明的是，缪子散射体10是可选部件，而非必须的。

图4示出了图3的一个具体实施方式，其中，三块入射径迹探测器在两块飞行时间测量探测器中间。但实际实施该系统时，入射径迹探测器亦可以在两块飞行时间测量探测器的下方或上方。

图5为本发明实施例的缪子能量、径迹测量及成像方法的流程图。

本发明的缪子能量、径迹测量及成像方法采用本发明上文公开的系统，包括如下步骤：

A．利用缪子径迹测量子系统测量得到缪子入射径迹信息和出射径迹信息。

具体地，即根据高位置分辨探测器测到的缪子坐标、运动方向夹角等信息，然后进行直线拟合可以获得缪子入射径迹信息和出射径迹信息。

B．利用缪子能量测量子系统测量得到缪子入射能量信息和出射能量信息。

具体地，可以根据飞行时间法测量缪子的能量。结合缪子静止质量m₀，飞过探测器板间的距离d，缪子径迹与垂直方向的夹角θ（天顶角），光速c以及缪子飞过探测器板的时间差Δt，根据公式3可以计算得到入射缪子的速度与能量E。

C．利用缪子能量信息和缪子径迹信息，所述缪子计算成像子系统进行缪子成像。

具体地，可利用每一个事件中的缪子能量信息，有利于更为准确地使用计算模型，提高缪子成像技术性能，相应的计算模型如公式2所示，βcp为所测的入射缪子能量。还可以测量入射缪子能量信息，从而筛选能量处于一定范围的缪子进行成像，有利于提高缪子成像技术性能。还可以通过同时测量每一个事例中入射缪子与出射缪子的能量，计算缪子在被检物中的能量损失，实现缪子能损成像，该成像结果与散射成像结果相互补充，有利于进一步提升缪子成像精度。

在本发明的一个优选实施例中，在步骤A之前还包括：步骤S：放置缪子散射体，当缪子穿过所述缪子散射体时，其天然能谱发生改变。通过散射体的散射，得到有利于提升当前成像性能的新能谱，可以根据被检物特点及成像需求，利用散射体实现缪子能量分布调制，针对性地提高有利于提升缪子成像技术性能的缪子的比例。需要说明的是，步骤S是可选步骤，而非必须的。

综上所述，本发明缪子能量、径迹测量及成像方法与装置能够综合利用能量信息与径迹信息实现被检物图像重建，与现有技术相比，其有益效果为：本发明增加利用了每一个事件中的缪子能量信息，有利于更为准确地使用计算模型，提高缪子成像技术性能；本发明可以测量入射缪子能量信息，从而筛选能量处于一定范围的缪子进行成像，有利于提高缪子成像技术性能；本发明根据被检物特点及成像需求，利用散射体实现缪子能量分布调制，针对性地提高有利于提升缪子成像技术性能的缪子的比例；本发明还可以通过同时测量每一个事例中入射缪子与出射缪子的能量，计算缪子在被检物中的能量损失，实现缪子能损成像，该成像结果与散射成像结果相互补充，有利于进一步提升缪子成像精度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种缪子能量、径迹测量及成像系统，其特征在于，包括：

被测物体，其中，宇宙中天然存在的缪子穿过所述被测物体；

缪子径迹测量子系统，所述缪子径迹测量子系统与所述被测物体相连，用于测量所述缪子穿经所述被测物体过程中的径迹信息；

缪子能量测量子系统，所述缪子能量测量子系统与所述被测物体相连，用于测量所述缪子穿经所述被测物体过程中的能量信息；以及

缪子计算成像子系统，所述缪子计算成像子系统与所述缪子径迹测量子系统和缪子能量测量子系统相连，用于综合利用所述缪子穿经所述被测物体过程中能量信息和径迹信息对所述被测物体进行图像重建。

2.如权利要求1所述的缪子能量、径迹测量及成像系统，其特征在于，所述缪子径迹测量子系统进一步包括缪子入射径迹测量模块和缪子出射径迹测量模块。

3.如权利要求2所述的缪子能量、径迹测量及成像系统，其特征在于，所述缪子入射径迹测量模块和缪子出射径迹测量模块分别采用一组至少两块平行放置的高位置分辨探测器，分别获取入射径迹和出射径迹上的坐标点，通过径迹拟合算法，得到入射缪子和出射缪子的径迹信息。

4.如权利要求1所述的缪子能量、径迹测量及成像系统，其特征在于，所述缪子能量测量子系统进一步包括缪子入射能量测量模块和缪子出射能量测量模块。

5.如权利要求4所述的缪子能量、径迹测量及成像系统，其特征在于，所述缪子入射能量测量模块采用一组两块已知间距为d的平行放置的高时间分辨探测器，记录缪子到达两块探测器板的时间差。

6.如权利要求4所述的缪子能量、径迹测量及成像系统，其特征在于，所述缪子的能量E的计算公式为：

$E=(\frac{1}{\sqrt{1-{(d/\left(\mathrm{c\Δ}t\cos \mathrm{\θ}\right))}^2}}-1)m_0{c}^2,$

其中，缪子静止质量m₀，飞过探测器板间的距离d，缪子径迹与垂直方向的夹角θ，光速c以及缪子飞过探测器板的时间差Δt。

7.如权利要求1所述的缪子能量、径迹测量及成像系统，其特征在于，还包括：

缪子散射体，所述缪子散射体位于所述缪子和所述被测物体之间，用于改变入射缪子能量分布。

8.如权利要求7所述的缪子能量、径迹测量及成像系统，其特征在于，所述缪子散射体的材料为对缪子具有衰减效果的材料。

9.一种缪子能量、径迹测量及成像方法，其特征在于，采用权利要求1-8中任一项所述的缪子能量、径迹测量及成像系统，包括以下步骤：

A．利用所述缪子径迹测量子系统测量得到缪子入射径迹信息和出射径迹信息；

B．利用所述缪子能量测量子系统测量得到缪子入射能量信息和出射能量信息；

C．利用缪子能量信息和缪子径迹信息，所述缪子计算成像子系统进行缪子成像。

10.如权利要求9所述的缪子能量、径迹测量及成像方法，其特征在于，在所述步骤A之前还包括：

S.放置缪子散射体，当所述缪子穿过所述缪子散射体时，其天然能谱发生改变。

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