Luận án Cosmic Ray Muon Radiography của Larry Joe Schultz - Đại học Portland State
Khám phá kỹ thuật chụp ảnh chiếu tia vũ trụ muon và ứng dụng trong công nghiệp, với nghiên cứu tiên phong của Larry Joe Schultz.
Luan An
Luận án tiến sĩ
Năm xuất bản
Số trang
185
Thời gian đọc
28 phút
Lượt xem
1
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
50 Point
Tổng quan nhanh
- Chủ đề:
- 1. Tổng quan về Cosmic Ray Muon Radiography - Ứng dụng
- Số trang:
- 185 trang
- Trường:
- Portland State University
- Chuyên ngành:
- Electrical and Computer Engineering
- Tác giả:
- Larry Joe Schultz
- Năm:
- 2003
Tóm tắt nội dung luận án
I. Tổng quan về Cosmic Ray Muon Radiography Ứng dụng
Cosmic ray muon radiography là kỹ thuật chụp ảnh dùng muon từ tia vũ trụ. Phương pháp dựa trên muon multiple Coulomb scattering. Luận án của Larry Joe Schultz tại Đại học Portland State năm 2003 đặt nền tảng cho muon scattering tomography. Kỹ thuật nhìn xuyên qua vật thể lớn. Mục tiêu chính là phát hiện vật liệu hạt nhân bị che giấu.
1.1. Khái niệm cơ bản về tia vũ trụ và muon
Tia vũ trụ sơ cấp đến từ không gian bên ngoài. Các hạt này va chạm với khí quyển Trái Đất. Quá trình va chạm tạo ra thác hạt khí quyển. Muon xuất hiện trong thác hạt này. Cosmic ray muons đến bề mặt Trái Đất liên tục. Thông lượng muon khoảng 10.000 hạt trên mỗi mét vuông mỗi phút. Muon có năng lượng cao và xuyên sâu. Muon đi qua hàng mét vật liệu rắn. Đặc tính này làm muon phù hợp cho chụp ảnh vật thể lớn. Muon không gây hại cho con người. Phương pháp này là thụ động và tự nhiên.
1.2. Nguyên lý chụp ảnh phóng xạ bằng muon
Muon bị tán xạ khi đi qua vật chất. Góc tán xạ phụ thuộc vào mật độ điện tích của vật liệu. Vật liệu có số nguyên tử Z cao tán xạ muon mạnh hơn. Hệ máy dò ghi nhận quỹ đạo muon trước và sau vật thể. Phần mềm tính góc tán xạ từ dữ liệu. Từ đó tạo ra hình ảnh cấu trúc bên trong. Kỹ thuật này gọi là muon scattering tomography. Chụp ảnh không cần nguồn phóng xạ nhân tạo. Đây là lợi thế lớn so với chụp X-quang thông thường. Muon tự nhiên được sử dụng hoàn toàn miễn phí.
1.3. Ứng dụng phát hiện vật liệu hạt nhân
Ứng dụng quan trọng nhất là passive detection of nuclear materials. Uranium và plutonium có số Z rất cao. Chúng tán xạ muon rất mạnh. Phương pháp phân biệt rõ vật liệu hạt nhân với vật liệu thường. Ứng dụng trong an ninh biên giới và cảng biển. Giúp ngăn chặn nuclear smuggling detection. Kỹ thuật phát hiện vật liệu bị che giấu trong container. Phương pháp bổ sung cho máy dò bức xạ truyền thống. Nó phát hiện cả vật liệu được che chắn kỹ. Công nghệ đáp ứng nhu cầu an ninh hiện đại.
II. Muon Multiple Coulomb Scattering Vật lý nền tảng
Muon multiple Coulomb scattering là hiện tượng vật lý cốt lõi. Khi muon đi qua vật chất, nó tương tác với hạt nhân nguyên tử. Mỗi tương tác làm muon lệch hướng một chút. Tổng hợp nhiều lần lệch hướng tạo ra phân bố góc tán xạ. Độ rộng phân bố phụ thuộc vào mật độ vật liệu. Đây là cơ sở để phân biệt vật liệu.
2.1. Tương tác của muon với vật chất
Muon tương tác với vật chất qua ba cơ chế chính. Thứ nhất là mất năng lượng do ion hóa. Thứ hai là tán xạ Coulomb với hạt nhân. Thứ ba là phát bức xạ hãm ở năng lượng cao. Tán xạ Coulomb bội là cơ chế quan trọng nhất. Góc tán xạ phụ thuộc vào số nguyên tử Z của vật liệu. Vật liệu Z cao tán xạ muon mạnh. Vật liệu Z thấp như nhôm tán xạ muon yếu. Sự khác biệt này tạo cơ sở cho high-Z material detection. Muon giữ phần lớn năng lượng khi xuyên qua. Vì vậy muon xuyên qua nhiều lớp vật chất dễ dàng.
2.2. Mô hình toán học của tán xạ Coulomb bội
Phân bố góc tán xạ được mô tả gần đúng bằng phân bố Gauss. Độ lệch chuẩn phụ thuộc vào xung lượng muon. Phân bố có đuôi dài do tán xạ đơn lẻ hiếm gặp. Công thức Rossi mô tả mối quan hệ này. Độ rộng tán xạ tỉ lệ với căn bậc hai chiều dài đường đi. Độ rộng tỉ lệ nghịch với xung lượng muon. Độ rộng tán xạ còn phụ thuộc mật độ vật liệu. Mô hình Moliere mô tả chính xác hơn phân bố đuôi. Các mô hình này là nền tảng cho thuật toán tái tạo. Phần mềm dùng chúng để tính toán thành phần vật liệu.
2.3. Mô phỏng GEANT4 Monte Carlo muon
GEANT4 Monte Carlo simulation mô phỏng chuyển động của muon. Phần mềm mô phỏng từng hạt muon riêng lẻ. Mỗi muon đi qua vật liệu với nhiều tương tác. Phần mềm ghi lại quỹ đạo và năng lượng sau mỗi tương tác. Phương pháp Monte Carlo xử lý tính ngẫu nhiên của tán xạ. Kết quả mô phỏng được so sánh với dữ liệu thực nghiệm. Mô phỏng giúp tối ưu hóa thiết kế hệ máy dò. GEANT4 cho phép mô phỏng vật liệu phức tạp. Các mô hình vật liệu đa lớp được kiểm chứng. Mô phỏng giảm chi phí trước khi xây dựng hệ thực tế.
III. Phân biệt vật liệu bằng muon scattering tomography
Muon scattering tomography phân biệt vật liệu dựa trên góc tán xạ. Vật liệu khác nhau tạo góc tán xạ khác nhau. Vật liệu số Z cao tạo tán xạ lớn. Vật liệu số Z thấp tạo tán xạ nhỏ. Độ chính xác phụ thuộc vào phổ xung lượng muon. Chương 3 của luận án trình bày tính toán sơ bộ về phân biệt vật liệu.
3.1. Phân biệt vật liệu với muon đơn năng
Muon đơn năng có cùng xung lượng khi đi vào vật liệu. Khi đó góc tán xạ phụ thuộc thuần túy vào vật liệu. Mô phỏng cho thấy các vật liệu tách biệt rõ ràng. Vật liệu Z cao tạo đỉnh tán xạ rộng. Vật liệu Z thấp tạo đỉnh tán xạ hẹp. Sự tách biệt giữa các nhóm vật liệu rõ ràng. Đây là trường hợp lý tưởng đơn giản. Kết quả chứng minh tính khả thi của phương pháp. Muon thực tế có phổ năng lượng rộng. Nên cần phân tích phức tạp hơn trong thực tế.
3.2. Ảnh hưởng phổ xung lượng muon thực tế
Muon thực tế có phổ năng lượng rộng. Phổ năng lượng trải từ vài trăm MeV đến hàng trăm GeV. Phổ xung lượng rộng làm mờ sự khác biệt vật liệu. Muon năng lượng cao tán xạ ít hơn. Muon năng lượng thấp tán xạ nhiều hơn. Sự trộn lẫn làm giảm độ chính xác phân loại. Tuy nhiên các nhóm vật liệu vẫn tách biệt đáng kể. Vật liệu Z cao và Z thấp vẫn phân biệt được. Kết quả khuyến khích phát triển hệ thực tế. Phổ muon tự nhiên vẫn đủ tốt cho mục đích an ninh.
3.3. Đo xung lượng muon nâng cao phân biệt
Đo xung lượng muon cải thiện độ phân biệt vật liệu. Khi biết xung lượng, có thể chuẩn hóa góc tán xạ. Có thể đặt thêm lớp vật liệu tán xạ phía trên máy dò. Độ tán xạ phụ thuộc xung lượng giúp đo xung lượng. Kết hợp với hướng muon, tính được xung lượng ban đầu. Kỹ thuật này giảm độ bất định về xung lượng. Kết quả phân biệt vật liệu được cải thiện rõ rệt. Phương pháp tăng độ tin cậy phát hiện vật liệu hạt nhân. Đây là hướng phát triển quan trọng của công nghệ. Luận án phân tích đầy đủ các kịch bản đo xung lượng.
IV. Muon trajectory reconstruction Tái tạo quỹ đạo muon
Muon trajectory reconstruction là bước xử lý dữ liệu trung tâm. Hệ máy dò ghi nhận vị trí muon tại nhiều mặt phẳng. Thuật toán nối các điểm đo thành quỹ đạo. Quỹ đạo trước và sau vật thể được ngoại suy. Góc tán xạ tính từ hai quỹ đạo ngoại suy. Dữ liệu này là đầu vào cho thuật toán tái tạo ảnh.
4.1. Khung tái tạo cắt lớp tomographic
Chụp cắt lớp xây dựng ảnh từ nhiều phép chiếu. Phương pháp biến đổi dùng phép chiếu ngược. Phương pháp đại số giải hệ phương trình tuyến tính. Cả hai phương pháp đều áp dụng cho muon. Tuy nhiên tín hiệu muon có tính ngẫu nhiên. Phương pháp đại số phù hợp hơn cho dữ liệu thưa. Khung tái tạo được xây dựng cho muon scattering tomography. Vật thể được chia thành các voxel nhỏ. Mỗi voxel chứa thông tin mật độ tán xạ. Thuật toán ước tính mật độ tán xạ từng voxel.
4.2. Tín hiệu ngẫu nhiên và thuật toán POCA
Tín hiệu muon không xác định như tia X. Mỗi muon có xung lượng và góc tới khác nhau. Thuật toán Point of Closest Approach (POCA) xử lý điều này. POCA tìm điểm gần nhất giữa hai quỹ đạo. Hai quỹ đạo là đoạn trước và sau vật thể. Điểm gần nhất ước tính vị trí tán xạ. Mỗi tán xạ được gán cho voxel gần POCA nhất. Nhiều muon tích lũy thông tin cho từng voxel. Thuật toán POCA hiệu quả cho vật liệu đặc. Kết quả tái tạo cho thấy vị trí vật liệu rõ ràng.
4.3. Khử nhiễu và xây dựng ảnh vật thể
Dữ liệu muon chứa nhiễu từ nhiều nguồn. Độ phân giải không gian máy dò tạo nhiễu đo lường. Tán xạ trong chính vật liệu máy dò gây nhiễu. Thuật toán lọc và làm mượt dữ liệu được áp dụng. Kỹ thuật khử nhiễu cải thiện chất lượng ảnh. Ảnh cuối cùng thể hiện mật độ tán xạ không gian. Vật thể Z cao hiện lên rõ trên nền Z thấp. Tomographic imaging of large objects đạt hiệu quả. Ảnh tái tạo giúp xác định vị trí vật liệu bất thường. Đây là đầu ra chính của hệ thống muon radiography.
V. Hệ máy dò drift tube trong muon detector tomography
Hệ máy dò quyết định chất lượng dữ liệu muon. Luận án sử dụng muon detector drift tubes. Mỗi buồng chứa nhiều ống drift tube song song. Muon ion hóa khí trong ống tạo tín hiệu điện. Thời gian trôi electron xác định vị trí muon. Nhiều lớp ống cho phép dựng quỹ đạo ba chiều.
5.1. Thiết kế buồng máy dò và drift tubes
Drift tube là ống hình trụ chứa khí. Dây anode căng dọc trục ống. Muon đi qua ion hóa khí trong ống. Electron trôi về dây anode tạo tín hiệu. Thời gian trôi cho biết khoảng cách tới dây. Các ống được xếp thành lớp trong buồng máy dò. Hai buồng đặt phía trên vật thể. Hai buồng đặt phía dưới vật thể. Mỗi buồng gồm hai lớp ống trực giao. Cấu hình này cho phép đo tọa độ X và Y.
5.2. Độ phân giải và hiệu suất hệ máy dò
Độ phân giải vị trí khoảng vài trăm micromet. Độ phân giải góc phụ thuộc khoảng cách giữa các buồng. Khoảng cách càng lớn thì độ phân giải góc càng cao. Hiệu suất phát hiện muon gần một trăm phần trăm. Thời gian xử lý mỗi muon rất nhanh. Hệ máy dò hoạt động liên tục không gián đoạn. Dữ liệu thô được chuyển về máy tính xử lý. Phần mềm dựng quỹ đạo từ dữ liệu thô. Hệ máy dò chịu được môi trường khắc nghiệt. Thiết kế phù hợp triển khai tại cảng biển.
5.3. Dữ liệu thực nghiệm từ hệ máy dò
Thí nghiệm thực tế được tiến hành tại Los Alamos. Hệ máy dò đặt vật liệu mẫu giữa các buồng. Vật liệu mẫu gồm uranium, chì, sắt và nhôm. Kết quả cho thấy phân biệt rõ các vật liệu. Hình ảnh tái tạo xác định đúng vị trí vật thể. Dữ liệu thực nghiệm khớp với mô phỏng. Kết quả chứng minh tính khả thi của phương pháp. Hệ thống phát hiện vật liệu Z cao trong thời gian ngắn. Thí nghiệm xác nhận lý thuyết trong chương trước. Đây là bước đệm cho hệ thống thương mại.
VI. Ứng dụng phát hiện vật liệu hạt nhân high Z material
Muon radiography phục vụ an ninh quốc gia. Phương pháp phát hiện vật liệu hạt nhân bị che giấu. Uranium và plutonium tán xạ muon mạnh. Phương pháp là thụ động, không phát bức xạ. Không cần nguồn phóng xạ nhân tạo. An toàn cho người vận hành và hàng hóa.
6.1. Phát hiện thụ động vật liệu hạt nhân
Passive detection of nuclear materials dùng tia vũ trụ tự nhiên. Muon có sẵn miễn phí từ vũ trụ. Hệ thống chỉ cần máy dò và phần mềm phân tích. Không phát bức xạ ion hóa vào môi trường. Khác với máy quét X-quang phát tia bức xạ. Không cần nguồn neutron hay nguồn gamma nhân tạo. Phương pháp phát hiện vật liệu hạt nhân được che chắn. Muon xuyên qua lớp chì và thép dễ dàng. Các vật liệu che chắn thông thường không ngăn được muon. Đây là ưu điểm vượt trội của công nghệ này.
6.2. Ngăn chặn buôn lậu hạt nhân tại cửa khẩu
Nuclear smuggling detection là nhu cầu cấp thiết toàn cầu. Container vận chuyển có thể chứa vật liệu bất hợp pháp. Máy dò bức xạ truyền thống bị đánh lừa bằng che chắn. Muon scattering tomography phát hiện vật liệu bị che giấu. Hệ thống kiểm tra container tại cảng biển. Thời gian quét mỗi container trong vài phút. Hệ thống phân biệt vật liệu hạt nhân với vật liệu khác. Vật liệu Z cao được khoanh vùng chính xác. Hệ thống giảm cảnh báo giả cho lực lượng an ninh. Công nghệ tăng cường an ninh biên giới quốc gia.
6.3. Chụp ảnh vật thể lớn và triển vọng tương lai
Tomographic imaging of large objects là thế mạnh của muon. Muon xuyên qua vật thể hàng mét. Có thể chụp ảnh container, khoang tàu, công trình. Phương pháp ứng dụng trong địa chất và khảo cổ. Có thể khảo sát cấu trúc bên trong núi lửa. Ứng dụng trong kiểm tra công trình xây dựng. Công nghệ phát triển nhanh sau luận án năm 2003. Nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới theo đuổi hướng này. Hệ thống thương mại đã được triển khai. Muon radiography trở thành công cụ an ninh quan trọng.
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (185 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộCOSMIC RAY MUON RADIOGRAPHY by LARRY JOE SCHULTZ A dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY in ELECTRICAL AND COMPUTER ENGINEERING Portland State University 2003 ACKNOWLEDGMENTS This dissertation could not have been completed without the kind support of many people throughout my midlife return to graduate school. My first note of thanks goes to my brother Roger Schultz who beat me to the punch in returning for a PhD and in so doing gave me the confidence that I could do it too. Doug Hall saw me wandering in the PCAT hallways at Portland State University and showed me what I needed to do to get started in graduate school. Doug provided lots of early guidance, a job, and some of the best teaching I ever experienced at a university level and I’m grateful for all of that.
George Lendaris inspired my interest in computational intelligence and provided me with the opportunity to get my feet wet in research. Although our research interests later diverged, George has remained a good friend and mentor and has strongly influenced my approach to problem solving. I encountered a few big bumps in the road along my path, and there were moments when I doubted my ability to stay the course. Tad Shannon took the time to listen and always seemed to find the right words to restore my confidence.
Tad also taught me a lot of mathematics and reviewed some of the mathematical developments in this dissertation. I’m thankful to Tad on several levels. i Kevin Vixie was instrumental in bringing me to Los Alamos National Laboratory and so enabled me to pursue this dissertation work. I am very appreciative of Kevin’s selfless assistance.
Thanks of course go to my colleagues on Muon Radiography team at Los Alamos, both for their contributions to the work and for allowing me to pursue significant portions individually for my dissertation. Thanks to Andy Saunders, John Gomez, Margaret Teasdale, Jason Medina, Bill Priedhorsky, Konstantin Borozdin, Gary Hogan, and Richard Schirato. Special thanks to Gary Hogan for his assistance with data acquisition for the experiment. Tom Asaki provided an invaluable service in helping with coding for tracing of ray paths through pixels and voxels.
Thanks to my entire dissertation committee, and very special thanks go to my two major advisors on this project, Andy Fraser of PSU and Chris Morris of LANL. Both provided intellectual guidance without which the project would never have been finished. Thanks to Andy for his diligence in reviewing the details and guiding the development of the reconstruction work and for helping me navigate the bureaucratic maze. I am eternally grateful to Chris Morris for providing me with the opportunity to do this work, and for his unwavering advocacy throughout the effort.
Thanks to Los Alamos National Laboratory and the Department of Energy for providing me with monetary support during this work. and Emma Schultz, have spent most of their working lives in support of public education at all levels. They passed their belief in the value of education on to me, and, more importantly, gave me their personal love and support ii throughout my educational process and life in general. My father and mother in law, Bill and JoAnn McCool, have also been particularly interested in and supportive of my doctoral work and never once called me a deadbeat husband when their daughter was putting me through school! And finally, my most significant thanks to wife, Robyn, and sons Connor and Caleb for their loving support and patience throughout the hours, days, weeks, and months of work required to get this done.
They’ll be happy to have Dad back, and Dad will be even happier to be back. iii TABLE OF CONTENTS Page ACKNOWLEDGMENTS. i LIST OF TABLES. viii LIST OF FIGURES.
ix CHAPTERS 1 INTRODUCTION.1 Information from the Heavens .2 A New Form of Radiography.3 The Author’s Role and this Dissertation .4 A Potential Application – Nuclear Contraband Detection .1 Cosmic Rays & Muons .1 Primary Cosmic Rays and the Atmospheric Cascade .2 The Muon Spectrum at the Earth’s Surface .2 How Muons Interact with Matter .3 Multiple Coulomb Scattering (MCS).3 Previous Work on Cosmic Ray Muon Radiography.4 Previous Work on Charged Particle Radiography .5 Overview of Computed Tomography .1 Transform-based CT .2 Algebraic-based CT. 31 3 CONCEPT AND PRELIMINARY CALCULATIONS .1 The Cosmic Ray Muon Radiography Concept .2 Using MCS to Segregate High, Medium and Low Z Materials.3 Preliminary Calculations on Material Segregation .1 Material Discrimination with Monoenergetic Muons.2 Material Discrimination with Realistic Muon Momentum Spread.3 Material Discrimination with Muon Momentum Spread and Momentum Measurement. 49 4 RECONSTRUCTON FRAMEWORK AND POCA ALGORITHM .1 The Tomographic Reconstruction Framework .1 Framework for the Traditional Case with a Deterministic Ray Signal.2 Framework for the Stochastic MCS Ray Signal .2 The Point of Closest Approach (PoCA) Reconstruction Algorithm .1 Description of the 2D PoCA Algorithm .2 Simulation Platform for Testing of the 2D PoCA Algorithm .3 Numerical Tests of the 2D PoCA Algorithm.4 Extending the PoCA algorithm to 3D .5 Summary of PoCA Results. 71 5 EXPERIMENTAL PROOF OF PRINCIPLE .1 Design of the Experimental Prototype .2 Front end electronics .1 Wire Chamber Signal Processing .3 Data Acquisition / Analysis .2 Setup and Calibration .1 Wire Chamber HV Plateau and Efficiency Tests.3 Chamber Resolution Estimation .3 Experimental Radiography Results .1 Tungsten Cylinder Test Object .1 Scattering Analysis and Simulation Cross-Validation.2 PoCA Reconstruction Optimized for Visual Appearance .2 Additional Test Objects.
102 v 6 MAXIMUM LiKELIHOOD RECONSTRUCTION .1 Maximum Likelihood Tomographic Reconstruction using Scattering Angle Information .1 The MLS Reconstruction Framework.2 The 2D MLS Reconstruction Algorithm .3 Numerical Tests of the 2D MLS Reconstruction Algorithm .2 Maximum Likelihood Tomographic Reconstruction using Scattering Angle and Ray Displacement Information.1 The 2D MLSD Reconstruction Framework.2 The 2D MLSD Reconstruction Algorithm.3 Numerical Tests of the 2D MLSD Reconstruction Algorithm .4 Performance Indices and Algorithm Performance.5 Extensions to the 2D MLSD Algorithm.2 Cosmic Ray Muon Momentum Spread.3 Convexity of the MLSD Cost Function .6 Summary of Extended 2D MLSD Algorithm Performance.3 The 3D MLSD Algorithm .1 The 3D MLSD Framework and Algorithm.2 Numerical Tests of the 3D MLSD Algorithm.4 Application of MLSD to Experimental Data .2 Items for Future Research .2 Application of MLSD to Nuclear Contraband Detection .3 MLSD with Adaptive Reconstruction Elements. 145 LIST OF REFERENCES. 147 APPENDICES vi A BLANPIED MUON GENERATOR. 152 B MUON MOMENTUM MEASUREMENT BY MULTIPLE SCATTERING.1 Inferring Material via Scattering of Particles with Estimated Momentum.2 Using Scattering to Estimate Momentum.3 Inferring Material via Scattering of Particles with Momentum also Estimated via Scattering.
164 C DERIVATION OF JACOBIAN AND HESSIAN OF COST FUNCTIONS FOR MLS AND MLSD ALGORITHMS.1 Jacobian and Hessian for the MLS Cost Function .2 Jacobian and Hessian for the MLSD Algorithm. 169 vii LIST OF TABLES Table page Table 2.1 Approximate energy loss experienced by muons traversing 10 cm of various materials. Approximate range of muons in various materials.3 Approximate multiple scattering for muons passing through 10 cm of various materials .1 Confidence intervals on scattering density after one minute of tracking 3 Gev muons through 10 cm of various materials.1 Performance Measurements for 2D Test Case Reconstructions .2 Performance Measurements for Extended 2D Test Case Reconstructions (10 runs for each case). 136 viii LIST OF FIGURES Figure page Figure 1.1 Illustration of cosmic ray muons passing through an object.1 Illustration of the particle cascade produced in the atmosphere.2 Experimental muon spectrum data for two arrival angles.3 Muon interactions when passing through matter.4 Multiple Coulomb scattering of a charged particle through material.5 Schematic of proton radiography beam line.6 Sample images created via multiple scattering proton radiography.7 Illustration of projections in CT.8 Illustration of how projections may be interpreted in the frequency domain.9 In Algebraic Reconstruction Techniques (ART), the object is broken into a discrete grid, and ray projections are modeled as weighted sums of cell values.1 The cosmic ray muon radiography concept.2 Multiple scattering in two dimensions .3 Radiation length as a function of material Z.4 Scattering density [per Eq.3)] of various materials.5 Discrimination of materials using scattering of 3 GeV momentum muons.6 Discrimination of materials using scattering of muons with momenta drawn from a model of the cosmic ray spectrum.7 Improved discrimination of materials using 2 minutes of exposure.8 Illustration of muon momentum measurement via multiple scattering through layers of material of known thickness and composition.9 Discrimination of materials using scattering of muons with momentum measured via 2 plates in the setup of Figure 3.1 A 2D object possessing a continuous characteristic function.2 Sampling the object by passing interrogating rays through it.3 Multiple scattering produces a stochastic ray signal.4 A small grid containing scattering density estimates with a single ray passing through.5 Illustration of the PoCA algorithm.6 Illustration of how the PoCA algorithm is used to reconstruct object scattering density.7 Setup for muon scattering simulation and PoCA reconstruction testing.8 Object setup for test case #1.9 PoCA reconstruction of scattering density for test case #1 (a), and reconstructed object classification (b).10 Ray crossing locations computed for the reconstruction of test case #1 (a), and illustration of how “erroneous” ray crossing location can occur.11 Test case #2 object setup (a), PoCA reconstruction (b), and PoCA classification (c).12 Ray crossing locations computed for the reconstruction of test case #2 (a), and illustration of mechanism for erroneous scattering localization.13 Test case #3 object setup (a), PoCA reconstruction (b), PoCA classification (c), and ray crossing locations (d).14 3D Test case #4 object classification.15 3D Test case #5 object classification.1 Cross-section of a generic multi-wire proportional chamber.2 Schematic of a delay-line readout drift chamber wire plane.3 Photographs of a time delay line wire plane (a), and a chamber enclosing for such planes (b).4 Schematic representation (a) and photograph (b) of detector positions and object area in the experimental prototype.5 Signal flow diagram for muon detector signal processing.6 Schematic of trigger logic .7 Photograph of front end electronics with major system components labeled.8 Sample Chamber Efficiency Curve .9 Typical histogram of muon frequency vs.
time delay line signal time difference.10 Typical histogram of muon frequency versus time delay line signal time sum.11 First image of experimental radiography of tungsten block test object (see text).12 Regions defining T) tungsten, S) steel beam, and B) background scattering for analysis .13 Ray scattering distributions for rays passing through region T (a), region S (b), and region B (c).14 PoCA reconstruction of the tungsten cylinder.15 PoCA reconstruction of the tungsten cylinder (simulation).16 PoCA Reconstructions of tungsten cylinder; experiment (a) and simulation (b), with heuristic modification to improve appearance.17 Aesthetically enhanced PoCA reconstruction of a c-clamp, made from 100,000 experimentally gathered muons.18 Aesthetically enhanced PoCA reconstruction of the letters “LANL” constructed of 1” lead stock, made from 100,000 experimentally gathered muons.1 Results for test case #1.2 Results for test case #2.3 Results for test case #6.4 Calculation of ray scattering and displacement for multiple layers of material .5 MLSD reconstructions of test case #1 (a), and test case #2 (b).6 Results for test case #6.7 MLS (a) and MLSD (b) reconstructions of test case #1 with all interrogating rays oriented vertically.8 Results for test case #3, one minute simulated exposure.9 PoCA and MLSD results for test case #3 for 1, 3, and 5 minute simulated exposures.10 Test case #7 objects, the letters “PSU” made of iron (a), the one minute MLSD reconstruction (b) and classification (c).11 Effect of position measurement error.13 PoCA (a) and MLSD (b) reconstructions for test case #1 with varying muon momenta and nominal position error levels.14 Results for 3D test case #4.15 Results for 3D test case #5. 141 xii CHAPTER 1 INTRODUCTION 1.1 Information from the Heavens When cosmic rays strike the Earth’s atmosphere, a cascade of many types of subatomic particles is created. By the time this shower of particles reaches the Earth’s surface, it is comprised primarily of muons.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Trích dẫn luận án này
Larry Joe Schultz (2003). Cosmic Ray Muon Radiography - Larry Joe Schultz [Luận án tiến sĩ, Portland State University]. LuanAn.net. https://luanan.net/vat-ly/cosmic-ray-muon-radiography-larry-joe-schultz
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Cosmic Ray Muon Radiography - Larry Joe Schultz" nghiên cứu về vấn đề gì?
Khám phá kỹ thuật chụp ảnh chiếu tia vũ trụ muon và ứng dụng trong công nghiệp, với nghiên cứu tiên phong của Larry Joe Schultz.
Luận án "Cosmic Ray Muon Radiography - Larry Joe Schultz" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại Portland State University. Năm bảo vệ: 2003.
Luận án "Cosmic Ray Muon Radiography - Larry Joe Schultz" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Cosmic Ray Muon Radiography - Larry Joe Schultz" thuộc chuyên ngành Electrical and Computer Engineering. Danh mục: Vật Lý.
Luận án "Cosmic Ray Muon Radiography - Larry Joe Schultz" có bao nhiêu trang?
Luận án "Cosmic Ray Muon Radiography - Larry Joe Schultz" có 185 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Cosmic Ray Muon Radiography - Larry Joe Schultz" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.