[論文レビュー] The Effect of Cosmic Ray Muon Momentum Measurement for Monitoring Shielded Special Nuclear Materials

Junghyun Bae, Stylianos Chatzidakis|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2021

Particle Detector Development and Performance参考文献 9被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、宇宙線ミューオンの運動量を測定することで、30 cmの lead 表面遮蔽後でも、高濃縮ウラン（HEU）、低濃縮ウラン（LEU）、プルトニウム（Pu）などの遮蔽された特異核物質（SNM）の検出および区別が顕著に向上することを示している。モンテカルロシミュレーションを用いて、著者らは運動量測定が >3σ の識別精度を実現できることを示し、運動量に依存しない手法と比較して測定時間を 3–4 倍短縮できることを明らかにした。

ABSTRACT

Recently, cosmic ray muons have been considered as a potential high energy radiation probe for monitoring and interrogation of dense, well-shielded special nuclear materials (SNM). Due to their high-penetrative nature, cosmic ray muons can easily penetrate shielded nuclear materials with minimal absorption and with leaving the target objects intact. However, despite the potential benefits from using cosmic ray muons for SNM monitoring, their widespread application has been limited for various reasons, including relatively low cosmic ray muon flux at sea level and the difficulty of measuring muon momentum in the field which can increase resolution and reduce measurement time. In this work, we explore in detail the effect of cosmic ray muon momentum measurement, focusing specifically on SNM monitoring applications. Three different types of SNMs (HEU, LEU, and Pu) surrounded by lead shielding with five different thicknesses (0, 5, 10, 20, and 30 cm), are analyzed using Monte Carlo simulation for three momentum measurement resolution levels (perfect, limited, and absent). 1000 muons were generated in the simulation which translates to 4 minutes of measurement time for a standard cargo container. We found that it is possible to identify and separate HEU, LEU, and Pu with high accuracy (> 3 s.d.) when using muon momentum measurement (perfect and limited) even when 30 cm-thick lead shielding was used. Currently, it is not possible to identify or separate the SNMs with 30 cm thick lead shielding without muon momentum knowledge. Our results show that the effect of measuring muon momentum can be significant and can result in reduced measurement times by a factor of 3 to 4 and/or improved monitoring and imaging resolution.

研究の動機と目的

• 宇宙線ミューオンの運動量測定が、遮蔽された特異核物質（SNM）の検出および同定に与える影響を評価すること。
• 特に貨物コンテナなど、従来の放射線プローブが効果を発揮できない場面における、良好に遮蔽された SNM の監視という課題に対処すること。
• 運動量測定が、現場応用における低ミューオン流量および分解能の制限を克服できるかどうかを評価すること。
• 現実的な遮蔽条件下で、信頼性のある SNM との区別が可能な最小運動量分解能を特定すること。

提案手法

• 宇宙線ミューオンが3種類の SNM（高濃縮ウラン（HEU）、低濃縮ウラン（LEU）、プルトニウム（Pu））と相互作用する様子をモデル化するためにモンテカルロシミュレーションが用いられた。
• 性能評価のため、5 種類の lead 表面遮蔽厚さ（0、5、10、20、30 cm）がシミュレーションされた。
• 運動量測定分解能の影響を分離するために、完全、限られた、および測定なしの3つの分解能レベルが評価された。
• 1 回のシミュレーションで 1000 個のミューオンがシミュレートされ、これは標準的な貨物コンテナの測定時間約 4 分に相当する。
• ミューオンの軌道とエネルギー損失を追跡することで、散乱および吸収特性を用いて物質の組成を推定した。
• 異なる条件下での SNM 種別間の分離信頼度（標準偏差単位）を決定するために、統計解析が適用された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 30 cm の lead 表面遮蔽後でも、ミューオンの運動量測定が HEU、LEU、Pu の信頼性の高い同定を可能にするか？
• RQ2 運動量を限られた分解能で測定する場合と、全く測定しない場合とで、SNM 同定の精度はどのように変化するか？
• RQ3 運動量測定を実施する場合、高信頼度での SNM 同定を達成するために必要な最小測定時間はどの程度か？
• RQ4 運動量測定は、遮蔽された SNM のミューオン断層撮影において、どの程度分解能を向上させるか？
• RQ5 30 cm の lead 表面遮蔽は、ミューオンの運動量データを用いて、効果的に貫通・分析可能か？

主な発見

• 運動量測定により、30 cm の lead 表面遮蔽後でも、HEU、LEU、Pu の識別と分離が高精度（>3σ）で可能となる。
• 運動量測定が行われない場合、30 cm の lead 表面遮蔽後では SNM の同定や分離は不可能である。
• 運動量測定を活用することで、運動量に依存しない手法と比較して、測定時間を 3 から 4 倍短縮できる。
• 限られた運動量分解能であっても、厚い遮蔽下においても SNM の区別は可能で、高精度を維持できる。
• 完全な運動量測定が最高の分解能と信頼度を提供するが、実用的な限られた分解能を持つシステムでも、堅牢な性能を発揮する。
• 本研究の結果は、運動量測定が現場に適用可能なミューオンベースの SNM 監視システムの実現に不可欠な要因であることを示している。