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

Gholamreza Anbarjafari, Aivo Anier+10 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 9

一句话总结

本文提出粒子轨迹过滤（PTF）与多模态断层扫描重建（MMTR）方法，用于基于塑料闪烁纤维束阵列的气溶胶射线断层扫描（ART），实现120 μm的空间分辨率与1 mrad的角分辨率。该方法可实现对低Z材料（如水、有机玻璃及高爆炸物）的精确探测与材料分类，测量时间仅为10–30分钟，基于桌面原型的实验验证显示模拟与实测结果高度一致。

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.

研究动机与目标

• 解决在气溶胶射线断层扫描（ART）中探测低Z材料的挑战，该挑战因散射微弱且噪声高而难以实现。
• 通过新型信号处理与断层扫描重建方法，提升低Z材料的重建精度与材料区分能力。
• 基于塑料闪烁纤维束阵列，开发一种紧凑型桌面概念验证断层扫描仪，以在真实条件下验证新方法。
• 通过缩短测量时间并提高对低Z材料的灵敏度，推动ART在安保与工业检测中的实用化与高效化应用。
• 通过在合理时间范围内可靠探测与分类如高爆炸物和毒品等材料，为ART的商业化奠定基础。

提出的方法

• 实施粒子轨迹过滤（PTF），基于命中模式、能量损失与轨迹一致性等轨迹参数，对探测器中的粒子候选进行分类。
• 应用多模态断层扫描重建（MMTR），从不同PTF组生成多个虚拟密度图（VDM），通过融合散射与透射数据提升材料区分能力。
• 利用基于Geant4的蒙特卡洛模拟，在物理实现前优化探测器几何结构、PTF阈值与MMTR参数。
• 在重建的VDM上集成一种新型边缘检测算法，即使在高泊松噪声条件下，也能识别扫描物体的逻辑体积分量。
• 利用塑料闪烁纤维阵列构建桌面断层扫描仪，实现120 μm的空间分辨率与1 mrad的角分辨率。
• 结合散射角与透射数据，计算一个比值以消除厚度变量的影响，实现与物体尺寸无关的材料识别。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低Z材料环境中，存在高噪声与有限角分辨率的条件下，粒子轨迹过滤（PTF）能否有效分类μ子与电子轨迹？
• RQ2 通过整合基于轨迹的多种数据模态（如散射与衰减）的多模态断层扫描重建（MMTR）是否能提升ART中的材料分类能力？
• RQ3 基于塑料闪烁纤维的桌面原型在多大程度上可实现亚毫米级空间分辨率，并可靠探测水、有机玻璃等低Z材料？
• RQ4 PTF与MMTR的结合在复杂或多种材料混合的物体（如仿生组织基质中的高爆炸物）中，能否增强对逻辑体积分量的探测与分离能力？
• RQ5 所提出的方法是否可将低Z材料探测的测量时间缩短至30分钟以内，同时保持高分类精度，且经由Geant4模拟验证？

主要发现

• 桌面断层扫描仪利用塑料闪烁纤维阵列，实现了120 μm的空间分辨率与1 mrad的角分辨率，用于μ子轨迹重建。
• 粒子轨迹过滤（PTF）成功对粒子候选进行分类，实现了基于能量损失与轨迹特征的μ子与电子分离。
• 多模态断层扫描重建（MMTR）使不同PTF组可生成多个虚拟密度图（VDM），显著提升了材料区分能力。
• 在VDM上应用的边缘检测方法成功识别了扫描物体的逻辑体积分量，即使在高泊松噪声条件下也有效，实现了短时间测量下的物体分割。
• 模拟与实测结果高度一致，验证了基于Geant4的断层扫描系统与PTF/MMTR参数优化的准确性。
• 该系统在10–30分钟内成功实现对低Z材料（包括水、有机玻璃及硝酸铵（作为高爆炸物模拟物））的有效探测与分类，全尺寸系统中有望实现亚分钟级曝光时间。