[논문 리뷰] The Effect of Cosmic Ray Muon Momentum Measurement for Monitoring Shielded Special Nuclear Materials

Junghyun Bae, Stylianos Chatzidakis|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 20.

Particle Detector Development and Performance참고 문헌 9인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 우주선 미온의 운동량 측정이 30cm의 lead shielding 뒤에서도 고체핵물질(SNM), 즉 고농도우라늄(HEU), 저농도우라늄(LEU), 플루토늄(Pu)을 신뢰성 있게 탐지하고 구분하는 데 상당한 기여를 한다고 보여준다. 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 저자들은 운동량 측정이 >3σ의 정확도로 식별 가능하게 하고, 운동량에 무관한 방법에 비해 측정 시간을 3~4배 감소시킨다고 밝힌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 우주선 미온의 운동량 측정이 차폐된 특수핵물질(SNM) 탐지 및 식별에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 기존 방사선 탐지기가 효과가 떨어지는 화물 컨테이너와 같이 잘 차폐된 SNM를 모니터링하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 운동량 측정이 낮은 미온 유량과 현장 적용에서의 열악한 해상도 등의 한계를 극복할 수 있는지 평가하기 위해.
• 실제 차폐 조건에서 신뢰할 수 있는 SNM 분리에 필요한 최소 운동량 해상도를 규명하기 위해.

제안 방법

• 우주선 미온이 세 가지 SNM 유형(고농도우라늄(HEU), 저농도우라늄(LEU), 플루토늄(Pu))과 상호작용하는 것을 모의하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하였다.
• 성능 평가를 위해 다섯 가지 lead 차폐 두께(0, 5, 10, 20, 30cm)를 시뮬레이션하였다.
• 운동량 측정 해상도 수준 세 가지(완벽한, 제한된, 없음)를 평가하여 운동량 해상도의 영향을 분리하였다.
• 실험당 1000개의 미온을 시뮬레이션하였으며, 이는 표준 화물 컨테이너에서 약 4분의 측정 시간에 해당한다.
• 미온의 궤적과 에너지 손실을 추적하여 산산이 흩어짐과 흡수 특성에 기반해 물질 조성을 추론하였다.
• 통계적 분석을 적용하여 다양한 조건에서 SNM 유형 간의 분리 신뢰도 수준(표준편차 단위)을 결정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두꺼운 lead 차폐 뒤에서 미온 운동량 측정이 HEU, LEU, Pu의 신뢰성 있는 식별을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 운동량을 제한된 해상도로 측정할 경우와 전혀 측정하지 않을 경우에 SNM 분리 정확도는 어떻게 달라지는가?
• RQ3 운동량 측정이 이루어질 경우, 고신뢰도 SNM 식별을 위해 필요한 최소 측정 시간은 얼마인가?
• RQ4 운동량 측정은 차폐된 SNM의 미온 단층촬영에서 해상도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 30cm의 lead 차폐는 미온 운동량 데이터를 통해 효과적으로 관통하고 분석할 수 있는가?

주요 결과

• 운동량 측정은 30cm의 lead 차폐가 있더라도 HEU, LEU, Pu의 식별과 분리에 높은 정확도(>3σ)로 가능하게 한다.
• 운동량 측정이 없을 경우, 30cm의 lead 차폐 뒤에 있는 SNM의 식별이나 분리는 불가능하다.
• 운동량 측정을 사용할 경우, 운동량에 무관한 방법에 비해 측정 시간을 3~4배 감소시킬 수 있다.
• 조금 제한된 운동량 해상도일지라도 두꺼운 차폐 조건에서도 SNM 분리가 가능하고 정확하다.
• 완벽한 운동량 측정은 최고의 해상도와 신뢰도를 제공하지만, 실용적인 제한된 해상도 시스템 역시 견고한 성능을 달성한다.
• 결과적으로 운동량 측정은 현장 적용 가능한 미온 기반 SNM 모니터링 시스템을 가능하게 하는 핵심 요소임을 입증한다.