[发明专利]缪子能量、径迹测量及成像系统与方法

说明书

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 Coulomb Scattering）。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

θ0=θplanerms=12θspacerms]]>    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：

θ0=13.6MeVβcpzx/X0[1+0.038ln(x/X0)]]]>    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