[論文レビュー] Atmospheric ray tomography for low-Z materials: implementing new methods on a proof-of-concept tomograph

Gholamreza Anbarjafari, Aivo Anier+10 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、プラスチックシンチレーティング繊維ホドスコープを用いた大気中レイトン断層撮影（ART）のため、粒子軌跡フィルタリング（PTF）とマルチモダリティ断層再構成（MMTR）を導入し、120 μmの空間分解能および1 mradの角度分解能を達成した。これらの手法により、水、アクリル板、爆発物など低原子番号（Z）材料の正確な検出と物質分類が10〜30分で可能となり、シミュレーションと測定の間に良好な一致が確認された、卓上型プロトタイプで検証された。

ABSTRACT

Cosmic rays interacting with the atmosphere result in a flux of secondary particles including muons and electrons. Atmospheric ray tomography (ART) uses the muons and electrons for detecting objects and their composition. This paper presents new methods and a proof-of-concept tomography system developed for the ART of low-Z materials. We introduce the Particle Track Filtering (PTF) and Multi-Modality Tomographic Reconstruction (MMTR) methods. Based on Geant4 models we optimized the tomography system, the parameters of PTF and MMTR. Based on plastic scintillating fiber arrays we achieved the spatial resolution 120 $\\mu$m and 1 mrad angular resolution in the track reconstruction. We developed a novel edge detection method to separate the logical volumes of scanned object. We show its effectiveness on single (e.g. water, aluminum) and double material (e.g. explosive RDX in flesh) objects. The tabletop tomograph we built showed excellent agreement between simulations and measurements. We are able to increase the discriminating power of ART on low-Z materials significantly. This work opens up new routes for the commercialization of ART tomography.

研究の動機と目的

• 弱い散乱と高いノイズのため、未解決の課題である大気中レイトン断層撮影（ART）における低Z材料の検出に取り組む。
• 新規の信号処理および断層再構成手法を用いて、低Z材料の再構成精度と物質識別能を向上させる。
• プラスチックシンチレーティング繊維ホドスコープを用いたコンactな卓上型概念実証装置を構築し、実環境条件下での新手法の検証を図る。
• 測定時間の短縮と低Z材料への感度向上により、セキュリティおよび産業用検査分野における実用的で時間効率の良いART応用を実現する。
• 実用的で信頼性の高い低Z材料（爆発物や麻薬など）の検出と分類を、現実的な時間枠で実証することで、ARTの商業化に向けた基盤を築く。

提案手法

• ヒットパターン、エネルギー損失、軌道整合性などの軌跡パラメータに基づき、ホドスコープ内の粒子候補を分類するため、粒子軌跡フィルタリング（PTF）を実装する。
• 複数のPTFグループから得られる複数の仮想密度マップ（VDM）を生成するため、マルチモダリティ断層再構成（MMTR）を適用し、散乱および透過データを統合することで物質識別能を向上させる。
• 物理的実装の前段階として、Geant4ベースのモンテカルロシミュレーションを用いて、検出器の幾何配置、PTFのしきい値、MMTRのパラメータを最適化する。
• 高ポissonノイズ条件下でも動作する新しいエッジ検出アルゴリズムを再構成済みVDMに統合し、物体の論理的ボリュームを特定する。
• プラスチックシンチレーティング繊維アレイを用いて、120 μmの空間分解能および1 mradの角度分解能を達成する卓上型断層撮影装置を構築する。
• 散乱角と透過データを組み合わせ、厚さを変数として排除する比率を計算することで、物体サイズに依存しない物質同定を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ノイズが強く、角度分解能が限られた低Z材料環境下において、粒子軌跡フィルタリング（PTF）はミューオンおよび電子の軌跡を効果的に分類できるか？
• RQ2 複数のトラックベースのデータモダリティ（例：散乱および減衰）を統合することで、マルチモダリティ断層再構成（MMTR）はARTにおける物質識別能を向上させられるか？
• RQ3 プラスチックシンチレーティング繊維を用いた卓上型プロトタイプは、サブミリメートル級の空間分解能を達成し、水やアクリル板などの低Z材料を信頼性高く検出できるか？
• RQ4 PTFとMMTRの組み合わせは、爆発物が生体模倣マトリックス内に存在するような複雑またはマルチマテリアル構造物において、論理的ボリュームの検出と分離をどの程度向上させるか？
• RQ5 提案手法により、低Z材料検出の測定時間を30分未満に短縮しつつ、高い識別精度を維持できるか？Geant4シミュレーションによる検証が可能か？

主な発見

• 卓上型断層撮影装置は、プラスチックシンチレーティング繊維アレイを用いて、ミューオン軌跡再構成において120 μmの空間分解能および1 mradの角度分解能を達成した。
• 粒子軌跡フィルタリング（PTF）は、エネルギー損失および軌道特徴に基づき、粒子候補の分類に成功し、ミューオンと電子の分離を可能にした。
• マルチモダリティ断層再構成（MMTR）により、異なるPTFグループから複数の仮想密度マップ（VDM）を生成でき、物質識別能が顕著に向上した。
• VDM上に適用されたエッジ検出法は、高ポissonノイズ下でも物体の論理的ボリュームを正しく同定でき、短時間測定での物体セグメンテーションを可能にした。
• シミュレーションと測定の結果が良好に一致し、Geant4ベースの最適化による断層撮影システムおよびPTF/MMTRパラメータの正確性が検証された。
• 本システムは、水、アクリル板、および爆発物模倣物（アンモニウムナイトレート）を含む低Z材料を10〜30分の間で効果的に検出・分類でき、大型システムでは1分未満の露出時間も見込まれる。