[发明专利]一种基于缪子动量的地球物理探测方法及系统

说明书

本发明提供一种基于缪子动量的地球物理探测方法及系统，包括：在无物体区放置探测器A，在待检测区放置待检测物体和探测器B；获得探测器B记录的待检测区的缪子多重库伦散射角θsubgt;MS/subgt;，获得探测器A记录的无物体区的缪子多重库伦散射角θsubgt;MS0/subgt;；通过θsubgt;MS/subgt;计算获得待检测区的缪子动量P，通过θsubgt;MS0/subgt;计算获得无物体区的缪子动量Psubgt;0/subgt;；通过P计算获得待检测区的缪子能量值Esubgt;c/subgt;，通过Psubgt;0/subgt;计算获得无物体区的缪子能量值Esubgt;0/subgt;；通过Esubgt;c/subgt;和Esubgt;0/subgt;计算获得实际能量损失值Esubgt;t/subgt;，通过Esubgt;t/subgt;计算获得待检测物体的材料不透明度δ，通过δ计算获得待检测物体的材料密度ρ。本发明采用的动量探测方法有效的避免了由自然环境变化产生的不可控干扰因素影响，提高了获取物体密度信息的准确性和稳定性。

技术领域

本发明涉及缪子探测领域，尤其涉及一种基于缪子动量的地球物理探测方法及系统。

背景技术

缪子是一种具有高穿透性的粒子，由于这种特性缪子探测技术已经在多个领域应用，而缪子成像技术是其中主要技术。缪子成像技术可以分为透射成像和散射成像两大类。透射成像技术是通过探测到穿过指定区域的缪子数量分布来判断待测物体信息，散射成像技术是通过计算缪子穿过不同物质的偏转角角度值分布来判断待测物信息，缪子射线成像已被用于火山学、矿物勘探以及各种其他工业和安全应用，因此用于成像的探测器也颇受关注。缪子探测器一般分为塑料闪烁体探测器、气体探测器、核乳胶探测器。气体探测器需要保持内部气压稳定，长期稳定性相对较低，且结构复杂造价高，维护成本高；核乳胶探测器具有很高的分辨率，探测器在测量过程中不需要读出电路和供电，探测系统简单，但是核乳胶探测器无法记录时间信息，在整个探测过程中只积累了缪子径迹信息，无法对其进行动态观测，且后续读出系统技术复杂，造价昂贵，在国内无法大规模运用；塑料闪烁体探测器机械加工容易、结构设计灵活、性能稳定，能够适应不同测量和应用场合，且成本较低，可以大规模运用。而利用塑闪探测器进行成像，可以获得区域密度(不透明度)分布图，更直接地得到待测区域的物体信息。

目前来说，塑闪探测器区域密度成像基本是通过测量缪子通量实现的。通量成像原理：由于缪子在穿过物体的时候有能量损失，因此只有一定数量的缪子可以穿过给定的待测物体，而这个数量与物体厚度和材料有关，厚度已知，由此可知材料密度。这种方法操作简单，对探测器精度要求不是很高。该方法应用已相对成熟，但是缪子通量成像方法存在一定不足。(1)探测器在高海拔处对宇宙射线大气簇射的接收角变化导致测量的缪子通量显著增大，影响了测量准确度。由于缪子是在初级宇宙射线与大气层发生级联相互作用形成的大气簇射屮产生的，因而在地球上不同海拔高度处，其能量特征会有所不同。比如观测点从海平面移到海拔1000米，将观测到缪子通量增加5个百分点；(2)地球磁场会限制缪子的能量阈值。当低能的初级宇宙射线通过磁层传播到地球大气层时，地磁场允许的初级粒子到达大气并产生次级缪子和中微子，而截断的初级粒子不会产生次级通量，而不同地区所截断的阈值各不相同，导致相同能量的缪子在不同地区出现的可能性有较大差异；(3)在太阳活动极大的年份，缪子通量由于受到太阳风对带电粒子的调制作用而达到极小值，影响测量周期较长时缪子通量数据一致性。在同一太阳活动周期(约11年)内，缪子通量在活动极大年时会比活动极小年时降低约5％；(4)大气上层温度的变化和空气密度的变化会引起宇宙射线相互作用特性的变化，从而引起在地球表面观测到的缪子通量的不稳定。由于这些变化而导致不同比例的π介子被原子核捕获，因此不同数量的介子衰变为缪子。所以测量点的高度及测量时间和当时气候条件等多种因素都会对缪子通量造成较大影响，从而导致通过通量—能量模型进行不透明度计算时产生较大误差。此外，当缪子穿过较厚的区域时，其能量损失过大，从而导致到达探测器的缪子数量明显减少。常规的通量方法需要通过延长探测周期来解决这一问题，但这种方式会增加探测器的死区时间，会导致部分缪子信息遗漏。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。