成果 | 王晓冬课题组在缪子成像领域研究取得重要进展

宇宙射线缪子是由来自太空的高能宇宙射线与大气层的气体分子相互作用产生的次级射线粒子，具有能域宽、穿透性强等特点，是大自然的本底射线源。缪子可以实现目标物的非接触、远距离、无损成像，与常规人工射线装置相比具有不可比拟的优势。当前宇宙射线缪子成像技术（Muography）主要分为两大类：基于强度衰减的透射和基于多次库伦散射的散射成像技术。透射成像技术关注的对象往往是大尺寸的物体，散射成像常用于高Z致密物质成像。缪子成像技术也被国际辐射探测成像和粒子探测领域公认为21世纪极具开发价值与应用前景的新型成像技术。

威廉希尔王晓冬教授课题组在缪子成像技术领域中另辟蹊径提出了一种缪子及其次级粒子符合成像技术，创新性地提出一种符合径迹密度的三维成像技术，无需知道次级粒子的能谱、位置和种类信息，利用缪子径迹完成探测物体的空间三维成像。2022年该课题组已取得系列研究成果：

1) 新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充分的验证，实现了物质的四维成像，从模拟层面给出了次级电子和伽马射线对成像的贡献；在模拟层面利用符合事件的缪子径迹完成了五种2厘米见方物体的三维成像，利用次级粒子的信息完成物质在Z维度的分辨，从模拟角度对缪子次级粒子伽马和电子进行量化区分，利用伽马和电子的比值对物体进行Z维度的鉴别，与空间的三维成像叠加即形成探测物体的四维成像，如图1所示。初步验证了缪子及其次级粒子符合成像技术的可行性，成果把当前缪子成像应用范畴的边界扩展到了厘米级和低Z物质。

详见（A novel 4D resolution imaging method for low and medium atomic number objects at the centimeter scale by coincidence detection technique of cosmic-ray muon and its secondary particles, Nuclear Science and Techniques,2022.33(1) https://doi.org/10.1007/s41365-022-01070-6）；

图1重建的4D图像和目标物体的俯视图

   2）利用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；

该论文利用有限角度成像算法（ASD-POCS）对待测物体进行了三维图像重建，结果表明该技术适合于小尺寸的中低Z物质成像，尤其对小尺寸中Z物质的重建效果明显，重建图像可以区分0.8 cm的凹槽，如图2所示。详见（缪子对小尺寸中低原子序数物质三维成像技术的模拟研究 ，原子能科学技术，https://doi.org/10.7538/yzk.2021.youxian.0989）;

图2 不同Z材料的三维成像结果对比图

3）该成果完成了缪散射成像技术和径迹成像技术的混合成像，较好解决了径迹密度成像技术因次级粒子在物体内自吸收效应导致成像出现中空现象，同时弥补了散射成像技术无法对低Z材料进行成像的缺陷，提高了重建物质图像的识别度。结果如图3所示。并引入了峰值信噪比PSNR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，结果如图4所示。

详见（Si-Yuan Luo, Yu-He Huang, Xuan-Tao Ji, Lie He, Wan-Cheng Xiao, Feng-Jiao Luo, Song Feng, Min Xiao & Xiao-Dong Wang*，Hybrid model for muon tomography and quantitative analysis of image quality. Nuclear Science and Techniques, 2022, 33(7), 1-13 https://doi.org/10.1007/s41365-022-00989-0）；

图3 散射技术、径迹密度成像技术以及两种混合成像技术效果对比，及混合成像三维图像

图4参考图像和三种成像方法的灰色图像及三种成像方法在不同成像时间下的PSNR计算结果

4) 缪子与次级粒子符合计数技术得已获授权发明专利1项。

王晓冬 季选韬 魏鑫 一种缪子成像方法 专利号 ZL 2021 1 0019425.7。

上述研究工作得到了国家自然科学基金项目（资助号：11875163，12275120）中国科技部重点研发项目（2020YFE0202001）和湖南省自然科学基金优秀青年项目（20210006）的资助。