[논문 리뷰] Atmospheric ray tomography for low-Z materials: implementing new methods on a proof-of-concept tomograph

Gholamreza Anbarjafari, Aivo Anier외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 24.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 플라스틱 산란 섬유 하도스코프를 사용한 대기 중 빛자국 단층 촬영(ART)을 위한 입자 궤적 필터링(PTF)과 다중 모odal 단층 재구성(MMTR)을 소개하며, 120 μm 공간 해상도와 1 mrad 각도 해상도를 달성하였다. 이 방법들은 물, 아크릴, 폭발물과 같은 저원자수 물질의 정확한 탐지 및 물질 분류를 10–30분 이내로 가능하게 하였으며, 시뮬레이션과 측정 간 높은 일치도를 보이는 테이블탑 프로토타입에서 검증되었다.

ABSTRACT

Cosmic rays interacting with the atmosphere result in a flux of secondary particles including muons and electrons. Atmospheric ray tomography (ART) uses the muons and electrons for detecting objects and their composition. This paper presents new methods and a proof-of-concept tomography system developed for the ART of low-Z materials. We introduce the Particle Track Filtering (PTF) and Multi-Modality Tomographic Reconstruction (MMTR) methods. Based on Geant4 models we optimized the tomography system, the parameters of PTF and MMTR. Based on plastic scintillating fiber arrays we achieved the spatial resolution 120 $\\mu$m and 1 mrad angular resolution in the track reconstruction. We developed a novel edge detection method to separate the logical volumes of scanned object. We show its effectiveness on single (e.g. water, aluminum) and double material (e.g. explosive RDX in flesh) objects. The tabletop tomograph we built showed excellent agreement between simulations and measurements. We are able to increase the discriminating power of ART on low-Z materials significantly. This work opens up new routes for the commercialization of ART tomography.

연구 동기 및 목표

• 약한 산란과 높은 노이즈로 인해 여전히 어려운 대기 중 빛자국 단층 촬영(ART)에서 저원자수 물질을 탐지하는 데 도전 과제를 해결한다.
• 새로운 신호 처리 및 단층 재구성 방법을 통해 저원자수 물질의 재구성 정확도 향상과 물질 식별 능력을 향상시킨다.
• 플라스틱 산란 섬유 하도스코프 기반의 작고 테이블탑 규모의 개념 증명용 단층 촬영기를 개발하여 실제 환경 조건에서 신규 방법을 검증한다.
• 측정 시간 단축과 저원자수 물질에 대한 감도 향상으로 인해 보안 및 산업 검사 분야에서 실용적이고 시간 효율적인 ART 응용을 가능하게 한다.
• 실제 시간대에 폭발물 및 마약과 같은 물질의 신뢰성 있는 탐지 및 분류를 통해 ART의 상용화 기반을 마련한다.

제안 방법

• 입자 후보를 히트 패턴, 에너지 손실, 궤적 일관성 등의 궤적 매개변수 기반으로 분류하기 위해 입자 궤적 필터링(PTF)을 구현한다.
• 다양한 PTF 그룹에서 유도된 다중 가상 밀도 지도(VDM)를 생성하기 위해 다중 모달 단층 재구성(MMTR)을 적용하여 산란 및 투과 데이터를 통합함으로써 물질 식별 능력을 향상시킨다.
• 물리적 구현 이전에 검출기 기하학, PTF 임계값, MMTR 매개변수 최적화를 위해 Geant4 기반 몬테카를로 시뮬레이션을 사용한다.
• 고 포isson 노이즈 조건에서도 작동하는 새로운 에지 검출 알고리즘을 재구성된 VDM에 통합하여 스캔된 물체의 논리적 볼륨을 식별한다.
• 플라스틱 산란 섬유 어레이를 사용하여 120 μm 공간 해상도와 1 mrad 각도 해상도를 달성한 테이블탑 단층 촬영기를 구축한다.
• 두께를 변수로 제거하기 위해 산란 각도와 투과 데이터를 조합하여 비율을 계산함으로써 물체 크기와 무관한 물질 식별을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약한 산란과 제한된 각도 해상도를 가진 저원자수 물질 환경에서 입자 궤적 필터링(PTF)이 뮤온 및 전자 궤적을 효과적으로 분류할 수 있는가?
• RQ2 다중 궤적 기반 데이터 모달리티(예: 산란 및 감쇠)를 통합함으로써 다중 모달 단층 재구성(MMTR)이 ART에서 물질 분류를 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 플라스틱 산란 섬유를 사용한 테이블탑 프로토타입이 저밀도 공간 해상도와 신뢰할 수 있는 저원자수 물질(예: 물, 아크릴) 탐지 능력을 얼마나 달성할 수 있는가?
• RQ4 PTF와 MMTR의 조합이 복잡하거나 다중 물질로 구성된 물체(예: 육체 유사 매트릭스 내 폭발물)에서 논리적 볼륨의 탐지 및 분리 능력을 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 제안된 방법들이 Geant4 시뮬레이션에 의해 검증된 바와 같이, 저원자수 물질 탐지에 대한 측정 시간을 30분 이내로 단축하면서도 높은 식별 정확도를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 테이블탑 단층 촬영기는 플라스틱 산란 섬유 어레이를 사용하여 120 μm 공간 해상도와 1 mrad 각도 해상도를 달성한 뮤온 궤적 재구성에 성공하였다.
• 입자 궤적 필터링(PTF)은 입자 후보를 성공적으로 분류하여 에너지 손실 및 궤적 특성 기반으로 뮤온과 전자를 분리하는 데 기여하였다.
• 다중 모달 단층 재구성(MMTR)은 다양한 PTF 그룹에서 유도된 다중 가상 밀도 지도(VDM)를 생성함으로써 물질 식별 능력을 크게 향상시켰다.
• VDM에 적용된 에지 검출 방법은 고 포isson 노이즈 조건에서도 스캔된 물체의 논리적 볼륨을 성공적으로 식별하여 짧은 측정 시간 내에 물체 분할을 가능하게 하였다.
• 시뮬레이션과 측정 결과 간 뛰어난 일치도를 보였으며, 이는 Geant4 기반의 단층 촬영 시스템 및 PTF/MMTR 매개변수 최적화의 정확성을 검증하였다.
• 시스템은 물, 아크릴, 폭발물 모의제품인 아질산암모늄 등 저원자수 물질을 10–30분 이내로 효과적으로 탐지 및 분류하는 데 성공하였으며, 풀스케일 시스템에서는 분당 이하 노출 시간도 가능할 것으로 전망된다.