[论文解读] Effects of upward-going cosmic muons on density radiography of volcanoes

K. Jourde, Dominique Gibert+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 23被引用 3

一句话总结

本研究识别出向上行进的宇宙μ子是使用μ子断层扫描进行火山密度断层扫描中的显著噪声源，表明此类通量可模拟向下μ子并使光学密度测量产生高达50%的偏差。通过高分辨率飞行时间测量，作者开发并验证了一种统计校正方法，可降低重建误差，从而实现对火山（如拉苏弗里埃火山和埃特纳火山）的精确三维密度断层扫描。

ABSTRACT

Muon tomography aims at deriving the density structure of geological bodies from their screening attenuation produced on the natural cosmic muons flux. Because of their open-sky exposure, muons telescopes are subject to noise fluxes with large intensities relative to the tiny flux of interest. A recognized source of noise flux comes from fake tracks caused by particles that fortuitously trigger the telescope detectors at the same time. Such a flux may be reduced by using multiple-detector telescopes so that fortuitous events become very unlikely. In the present study, we report on a different type of noise flux caused by upward-going muons crossing the detectors from the rear side. We describe field experiments on La Soufriére of Guadeloupe and Mount Etna, and give details on the high-resolution clocking system and the statistical procedure necessary to detect upward-going muons. We analyse several data sets acquired either in calibration or in volcano tomography situation. All data sets are shown clearly biased by upward-going noise flux whose intensity may amount to 50% of the measured total flux in given directions. Biases produced on density radiographies by this kind of flux are quantified and correction procedures are detailed. Examples for La Soufriére and Mount Etna are given.

研究动机与目标

• 识别并量化向上行进的宇宙μ子对火山密度断层扫描中μ子断层扫描数据的影响。
• 解决向上μ子与向下μ子混淆的问题，该问题在光学密度测量中引入了显著偏差。
• 利用高分辨率飞行时间数据开发并验证一种校正程序，以消除向上通量污染。
• 确保在火山监测中实现精确的三维密度重建，特别是检测与岩浆或热液过程相关的微小密度对比。
• 证明在场实验中，当望远镜后方面向下方开放的大气体积时，必须对向上μ子通量进行校正。

提出的方法

• 利用配备三个探测阵列且时间分辨率达1 ns的μ子望远镜，基于飞行时间差区分粒子轨迹。
• 应用飞行时间判据：对于前向（向下）μ子，Δt = t_rear - t_front > 0；对于后向（向上）μ子，Δt < 0。
• 基于轨迹倾角和时间相关性，利用对拉苏弗里埃火山和埃特纳火山数据集的统计分析，分离出向上行进的μ子通量。
• 基于路径遮挡程度和光学密度的多项式拟合，建立校正模型，作为光学密度校正比值的函数。
• 使用公式14a和海平面大气μ子衰减的Tang模型，将校正应用于原始断层扫描数据。
• 通过比较未校正与校正后断层扫描结果，评估密度波动和不同视角间的一致性，验证校正效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 向上行进的宇宙μ子在多大程度上污染了火山密度断层扫描中使用的向下μ子通量？
• RQ2 向上μ子通量的强度如何随望远镜朝向及周围大气体积变化？
• RQ3 在野外条件下，高分辨率飞行时间测量能否可靠地区分向上与向下μ子？
• RQ4 向上μ子通量对断层扫描图像中重建的光学密度和密度值有何定量影响？
• RQ5 所提出的统计校正方法在恢复三维断层扫描中准确密度分布方面的有效性如何？

主要发现

• 在拉苏弗里埃火山和埃特纳火山的野外实验中检测到向上行进的μ子，其通量强度在某些方向可达总通量的50%。
• 向上通量导致光学密度重建出现显著偏差，校正比值范围从1.0（无校正）到1.5（路径遮挡1000 m，光学密度~1500 hg·cm⁻²）。
• 对于遮挡在200 m至1000 m之间的路径（光学密度从300到1500 hg·cm⁻²），校正因子从1.0增加至1.5，表明其对路径长度和密度有强烈依赖性。
• 若不进行校正，原始断层扫描结果在地平线附近出现不合理的密度下降至0.5 g·cm⁻³，尤其在后向遮挡较强的区域。
• 应用校正后，密度波动显著降低，重建的密度值在不同视角间保持一致，特别是在β为50°至85°的区域。
• 该方法在后向遮挡强烈且大气路径较长（即向上通量最强）的区域效果最佳，而在陡峭向上轨迹（α_F < -10°）区域效果较差。