[论文解读] Fieldable Muon Momentum Measurement using Coupled Pressurized Gaseous Cherenkov Detectors

Junghyun Bae, Stylianos Chatzidakis|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用 6

一句话总结

本文提出一种紧凑、便携的探测器，利用耦合的加压气态切伦科夫辐射体测量野外环境中的μ子动量。通过调节每个辐射体内的气体压力以设定不同的动量阈值，系统可检测哪些辐射体产生切伦科夫信号，从而实现无需大型量能器或飞行时间系统即可进行动量重建，为μ子层析成像和辐射监测提供一种可野外部署的解决方案。

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.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、可野外部署的系统，用于测量宇宙射线μ子动量，且不依赖大型昂贵的量能器或飞行时间系统。
• 解决基于野外的μ子动量测量难题，该难题仍是诸如乏核燃料容器监测和地质层析成像等应用的瓶颈。
• 通过利用加压气体辐射体中切伦科夫辐射的动量依赖性阈值，实现动量重建。
• 设计一种可与现有μ子层析成像系统集成的系统，以提升成像质量并增强背景抑制能力。
• 通过原型设计与仿真，证明便携式、多辐射体切伦科夫系统在野外应用中优化的可行性。

提出的方法

• 该系统采用多个加压气态切伦科夫辐射体，每个辐射体使用不同的气体压力以设定特定的切伦科夫光发射动量阈值。
• 通过检测哪些辐射体产生切伦科夫信号来推断μ子动量——仅当实际动量高于某辐射体的阈值时，该辐射体才会触发。
• 探测系统采用光电传感器（如PMs或SiPMs）来记录每个辐射体中的切伦科夫光脉冲，信号存在表示动量超过该辐射体的阈值。
• 动量重建算法利用触发的辐射体序列来估算μ子动量，基于已知的压力-动量阈值关系。
• 设计强调模块化与紧凑性，适用于野外环境部署，如核设施监测或地质勘探。
• 系统优化了低背景与高便携性，避免对大型磁场或复杂定时电子设备的依赖。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用加压气体中的切伦科夫辐射开发出一种便携式、可野外部署的μ子动量测量系统？
• RQ2 如何调节单个辐射体中的气体压力，以实现校准的、阶梯式的动量阈值响应？
• RQ3 仅通过多个辐射体中切伦科夫信号的有无，能在多大程度上实现动量分辨率？
• RQ4 该系统能否与现有μ子层析成像系统集成，以提升图像质量和背景抑制能力？
• RQ5 在野外应用中，动量分辨率与系统尺寸的实际限制是什么？

主要发现

• 所提出的系统通过使用多个具有定制压力设置的加压气态切伦科夫辐射体来定义动量阈值，实现了可野外部署的μ子动量测量。
• 通过检测特定辐射体中产生的切伦科夫信号，可基于所跨越的最高阈值来重建μ子动量，提供一种离散但有效的动量估计。
• 该系统设计为紧凑便携，避免依赖大型昂贵组件（如量能器或飞行时间系统）。
• 原型开发与仿真表明，该系统可成功集成至现有的μ子层析成像与辐射监测系统中。
• 该方法为传统动量测量技术提供了一种实用替代方案，尤其适用于需要野外部署的场景。
• 该方法支持诸如乏核燃料容器监测与地质层析成像等应用，实现在真实环境中对动量分辨的μ子探测。