[논문 리뷰] Fieldable Muon Momentum Measurement using Coupled Pressurized Gaseous Cherenkov Detectors

Junghyun Bae, Stylianos Chatzidakis|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 04.

Particle Detector Development and Performance인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 현장에서 사용 가능한 소형 이동식 검출기를 제안한다. 압축 가스 체르넨코프 방사체를 결합하여, 우주선의 뮤온 운동량을 측정한다. 각 방사체의 기체 압력을 조절하여 서로 다른 운동량 임계값을 설정함으로써, 어느 방사체에서 체르넨코프 신호가 발생하는지에 따라 뮤온의 운동량을 추정할 수 있다. 이는 대규모 칼로리미터나 시간 도달 시스템을 필요로 하지 않으며, 뮤온 단층촬영 및 방사선 모니터링에 적합한 현장 적용 가능한 솔루션을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 대규모이고 비싼 칼로리미터나 시간 도달 시스템에 의존하지 않고도, 천체 입자 뮤온의 운동량을 측정할 수 있는 소형 이동식 시스템을 개발하는 것.
• 사용 가능한 뮤온 운동량 측정 기술의 한계를 해결함으로써, 고갈된 원자력 연료 캐스크 모니터링 및 지구 단층촬영과 같은 응용 분야에 기여하는 것.
• 압축 가스 방사체에서 체르넨코프 방사의 운동량 의존성 임계값을 이용하여 운동량 재구성 기법을 개발하는 것.
• 기존의 뮤온 단층촬영 시스템에 통합될 수 있도록 설계하여, 이미징 성능 향상과 배경 잡기 능력을 향상시키는 것.
• 프로토타입 설계 및 시뮬레이션을 통해 현장 사용에 최적화된 다중 방사체 체르넨코프 시스템의 실현 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• 다중 압축 가스 체르넨코프 방사체를 사용하며, 각각의 기체 압력을 조절하여 특정 운동량 임계값을 설정한다.
• 뮤온의 운동량은 어느 방사체에서 체르넨코프 신호가 발생하는지에 따라 추정된다. 뮤온의 실제 운동량보다 낮은 임계값을 가진 방사체에서만 신호가 발생한다.
• 검출 시스템은 광자 센서(PMT 또는 SiPM 등)를 사용하여 각 방사체에서 발생하는 체르넨코프 빛 펄스를 기록하며, 신호 존재 여부는 해당 방사체의 임계값을 초과한 운동량을 의미한다.
• 운동량 재구성 알고리즘은 촉발된 방사체의 순서를 이용하여 뮤온의 운동량을 추정하며, 이는 압력-운동량 임계값 관계를 기반으로 한다.
• 모듈성과 소형화를 고려한 설계를 통해 핵시설 모니터링이나 지질 조사와 같은 현장 환경에 적합한 배치를 가능하게 한다.
• 저배경 및 고이동성 최적화를 위해 대규모 자기장이나 복잡한 타이밍 전자기기의 필요성을 배제한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압축 가스에서의 체르넨코프 방사 현상을 이용하여 이동성 있고 현장에서 사용 가능한 뮤온 운동량 측정 시스템을 개발할 수 있는가?
• RQ2 개별 방사체의 기체 압력을 어떻게 조절하여 校정된 단계적 운동량 임계값 반응을 만들 수 있는가?
• RQ3 여러 방사체에서 체르넨코프 신호의 유무만을 이용하여 운동량 분辨도를 어느 정도 확보할 수 있는가?
• RQ4 이 시스템은 기존의 뮤온 단층촬영 시스템에 통합되어 이미지 품질 향상과 배경 제거 능력을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 현장 응용 분야에서 운동량 분辨도와 시스템 크기의 실질적 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 압력을 조절한 다중 압축 가스 체르넨코프 방사체를 사용하여 현장에서 뮤온 운동량 측정이 가능하다.
• 특정 방사체에서의 체르넨코프 신호 감지로, 가장 높은 임계값을 초과한 운동량을 기반으로 뮤온의 운동량을 이산적이나 효과적으로 재구성할 수 있다.
• 칼로리미터나 시간 도달 시스템과 같은 대규모 고비용 장비에 의존하지 않도록 설계되어 소형 이동식 시스템으로서의 가능성을 확보한다.
• 프로토타입 개발 및 시뮬레이션을 통해 기존의 뮤온 단층촬영 및 방사선 모니터링 시스템에의 통합 가능성을 입증하였다.
• 특히 현장 적용이 필요한 상황에서 기존 운동량 측정 기법에 비해 실용적인 대안을 제공한다.
• 고갈된 원자력 연료 캐스크 모니터링 및 지구 단층촬영과 같은 응용 분야에서, 실제 환경에서 운동량 해상도를 갖춘 뮤온 검출을 가능하게 한다.