[論文レビュー] Obtaining material identification with cosmic ray radiography

C. L. Morris, K. Borozdin+15 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2012

Particle Detector Development and Performance被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、宇宙線ミューオン透過法を用いて、物質内のミューオンエネルギー損失および角度散乱を測定することで材料同定を実証している。ロスアラモスにおけるミニミューオントラッカーのデータを用いて、停止ミューオン数と軌道の角度拡散を組み合わせることで、密度推定および材料識別が高精度で可能であることを示しており、コンクリート、鉄鋼、高Z元素などの材料を信頼性高く同定できる。

ABSTRACT

The passage of muons through matter is mostly affected by their Coulomb interactions with electrons and nuclei. The muon interactions with electrons lead to continuous energy loss and stopping of muons, while their scattering off nuclei lead to angular 'diffusion'. By measuring both the number of stopped muons and angular changes in muon trajectories we can estimate density and identify materials. Here we demonstrate the material identification using data taken at Los Alamos with the Mini Muon Tracker.

研究の動機と目的

• 外部放射線源を必要としない宇宙線ミューオンを用いた材料同定手法の開発を目的とする。
• 従来のミューオンレントゲノグラフィーが密度測定に限定されているという限界を克服し、物質組成分析のための角度散乱を組み込むことを目的とする。
• ロスアラモス国立研究所におけるコンパactなミューオントラッカーを用いた実験的検証を目的とする。
• エネルギー損失と多次散乱の両方が、原子番号や密度が異なる物質を区別する上で補完的情報を提供することを示すことを目的とする。

提案手法

• ミューオンの入射および透過後の軌道を測定するために、セグメント化されたシンチレーション検出器であるミニミューオントラッカーを用いた。
• ミューオンの入射位置および出射位置・角度を再構築することで、核散乱に起因する角度のずれを定量した。
• エネルギー損失は、停止ミューオンの数および浸透深さを測定することで評価した。これは電子との相互作用に起因する連続的エネルギー損失と相関する。
• エネルギー損失と角度拡散のデータを統合し、密度および原子番号（Z）を推定するための統合的分析モデルを構築した。
• 物理ベースのミューオン相互作用モデルを適用した：電子とのクーロン散乱に起因するエネルギー損失および核標的に起因する角度散乱。
• モンテカルロシミュレーションと実験データを用いて、角度拡散、エネルギー損失、物質特性との関係をキャリブレーションした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミューオンエネルギー損失および角度散乱データを併用することで、密度を超えた材料同定が可能か？
• RQ2 宇宙線ミューオンのみを用いて、コンクリート、鉄鋼、ウランなどの異なる材料をどれほど正確に区別できるか？
• RQ3 角度拡散およびエネルギー損失は、原子番号および密度の変動に対してどの程度感度を示すか？
• RQ4 コンパクトで携帯可能なミューオントラッカー系は、実環境条件下でも信頼性のある材料同定を達成できるか？
• RQ5 測定されたミューオン軌道は、多次散乱およびエネルギー損失の理論的予測とどの程度一致するか？

主な発見

• 停止ミューオン率と角度ずれの組み合わせにより、密度のみに依存する場合よりも高精度な材料同定が可能である。
• ウラン、 lead などの高原子番号物質は、強い核相互作用に起因して特徴的な角度散乱パターンを示した。
• コンクリートと鉄鋼は、エネルギー損失および散乱プロファイルにおける固有のシグネチャに基づき、信頼性高く区別された。
• ミニミューオントラッカーは、物質組成の差を解像できる十分な分解能でミューオン軌道を測定できた。
• 実験データは、多次散乱および連続的エネルギー損失の理論的モデルと良好に一致した。
• 本手法は、セキュリティおよび非破壊検査応用分野において、遮蔽された物質（特に核分裂性物質）の非破壊検出の可能性を示した。