[論文レビュー] Fieldable Muon Momentum Measurement using Coupled Pressurized Gaseous Cherenkov Detectors

Junghyun Bae, Stylianos Chatzidakis|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、宇宙線ミューオンの運動量を現場で測定するために、結合された圧力付き気体チェレンコフ放射体を用いたコンactで持ち運び可能な検出器を提案する。各放射体のガス圧を調整することで異なる運動量しきい値を設定し、どの放射体がチェレンコフ信号を発生させるかを検出することで、大がかりなカロリメーターや飛行時間測定系に依存せずに運動量再構成が可能となる。これにより、ミューオントモグラフィーや放射線モニタリングの現場応用が可能となる。

ABSTRACT

Cosmic ray muons present a large part of the radiation background and depending on the application of interest muons can be seen as background noise, e.g., radiation mapping, radiation protection, dosimetry, or as a useful interrogation probe such as cosmic ray muon tomography. It is worth noting recent developments on muon scattering tomography which has emerged as a prospective noninvasive monitoring method for many applications including spent nuclear fuel cask monitoring and geotomography. However, it is still very challenging to measure muon momentum in the field, despite the apparent benefits, without resorting to large and expensive calorimeters, ring imagers, or time of flight detectors. Recent efforts at CNL and INFN have developed large prototypes based on multiple Coulomb scattering coupled with the muon momentum reconstruction algorithms. While these efforts show promise, no portable detectors exist that can measure muon momentum in the field. In this work, we present a new concept for measuring muon momentum using coupled pressurized gaseous Cherenkov radiators. By carefully selecting the gas pressure at each radiator we can optimize the muon momentum threshold for which a muon signal will be detected. This way, a muon passing through the radiators will only trigger those radiators with momentum threshold less than the actual muon momentum. By measuring the presence of Cherenkov signals in each radiator, our system can then estimate the muon momentum. The primary benefit of such a concept is that it can be compact and portable enough so that it can be deployed in the field separately or in combination with existing tomography systems.

研究の動機と目的

• 大がかりで高価なカロリメーターや飛行時間測定系に依存せずに、宇宙線ミューオンの運動量を測定するコンactで現場に設置可能なシステムを開発すること。
• 使用済み核燃料ドラムのモニタリングや地球物理学的トモグラフィーなどの応用において、依然として障害となる現場でのミューオン運動量測定の課題を解決すること。
• 圧力付きガス放射体におけるチェレンコフ放射の運動量依存しきい値を利用し、運動量再構成を実現すること。
• 既存のミューオントモグラフィー装置と統合可能であり、画像品質の向上とバックグラウンドの抑制を図ること。
• プロトタイプ設計とシミュレーションを通じて、現場用途に最適化されたポータブルでマルチ放射体チェレンコフシステムの実現可能性を示すこと。

提案手法

• 複数の圧力付き気体チェレンコフ放射体を用い、それぞれ異なるガス圧を設定することで、チェレンコフ光放出のための特定の運動量しきい値を設定する。
• ミューオンの運動量は、どの放射体がチェレンコフ信号を発生させるかを検出することで推定される。実際にミューオンの運動量より低いしきい値を持つ放射体のみがトリガーを発生する。
• 光子センサー（例：PMTやSiPM）を用いた検出システムが、各放射体におけるチェレンコフ光パルスを登録し、信号の有無がその放射体のしきい値を超える運動量であることを示す。
• 運動量再構成アルゴリズムは、発火した放射体の順序を用いて、既知の圧力-運動量しきい値関係を活用してミューオンの運動量を推定する。
• モジュラリティとコンパクトネスに重点を置いた設計により、原子力施設のモニタリングや地質調査などの現場環境への設置が可能となる。
• 大がかりな磁場や複雑なタイミング電子回路を必要とせず、低バックグラウンドで高ポータビリティを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧力付きガスにおけるチェレンコフ放射を用いて、ポータブルで現場に設置可能なミューオン運動量測定システムを開発できるか？
• RQ2 個々の放射体におけるガス圧をどのように調整すれば、校正済みで段階的な運動量しきい値応答を実現できるか？
• RQ3 複数の放射体におけるチェレンコフ信号の有無/無しのみを用いて、どの程度の運動量分解能が達成可能か？
• RQ4 このシステムは、既存のミューオントモグラフィー系と統合可能であり、画像品質の向上とバックグラウンド除去を図れるか？
• RQ5 現場応用において、運動量分解能とシステムサイズの実用的限界は何か？

主な発見

• 提案されたシステムは、圧力設定を最適化した複数の圧力付き気体チェレンコフ放射体を用いることで、現場で利用可能なミューオン運動量測定を可能にする。
• 特定の放射体におけるチェレンコフ信号の検出により、最も高いしきい値を超えた運動量に基づいてミューオン運動量を再構成でき、離散的ではあるが効果的な運動量推定が可能となる。
• カロリメーターや飛行時間測定系のような大がかりで高価な部品に依存せず、コンパクトでポータブルな設計がなされている。
• プロトタイプ開発とシミュレーションにより、既存のミューオントモグラフィーおよび放射線モニタリングシステムへの統合可能性が示された。
• 特に現場設置が求められる状況において、従来の運動量測定手法に代わる実用的で効果的な代替手段を提供する。
• 使用済み核燃料ドラムのモニタリングや地質トモグラフィーなどの応用を支援し、実世界環境における運動量分解能付きミューオン検出を可能にする。