可变角分辨率宇宙射线缪子探测器与密度成像技术

• 作 者: 杨迪琨 陈忠昌 吴晨妍 陈涛
• 机 构: 南方科技大学地球与空间科学系,深圳,518055
• 出 处: 中国地球物理学会地球物理技术委员会第九届学术会议——全域地球物理探测与智能感知学术研讨会
• 发表日期: 2021年8期
• 关键词: 缪子 密度 成像 角分辨率

　　初级宇宙射线中的质子与地球大气中原子碰撞衰变，在海平面15公里左右产生大量高能缪子，并保持着原来质子的方向以接近光速的速度冲向地面。缪子射线穿过高密度物质会发生能量和通量衰减，因此通过探测缪子透射通量衰减，可以推测其所经过物体的密度分布。缪子密度成像与传统重力密度成像相比，具有抗干扰能力强、无需复杂校正的优点，尤其适用于存在复杂人文干扰的环境中，目前已经被应用于构筑物内部探测、地质勘探等领域。缪子成像基于层析成像原理，在空间任意一点某一个入射角方向上所接收到的缪子通量衰减与该条缪子射线所路过物质的密度、路程成正比；多个接收点上的大量缪子射线相互交叉，即可解析出密度分布。目前主流缪子成像设备使用多个大型塑料闪烁体平行接收板确定轰击射线的角度，并统计一段时间内多个角度的通量。这种设备角度分辨率高，但是庞大复杂、成本高昂，不便于在隧道、井中等条件下使用。本文提出一种新的轻便式缪子探测器，该探测器最简单的形式为两个独立的塑料闪烁体缪子探测单元在待探测角度方向上串行排布；每个探测单元独立记录所有角度方向缪子通量的总和；通过统计两个探测单元共同的轰击事件，可以确定两个单元所确定视野夹角内的总通量。当拉长两个探测单元相对距离时，视野夹角变小，角度分辨率提高，观测数据仅对狭窄视野内射线穿过体积内密度敏感，可实现高分辨率层析成像；当缩短该相对距离时，视野夹角变大，角度分辨率下降，观测数据为视野内所有角度射线之和，对较大范围内的密度分布敏感，可在短时间内接收较多的有效轰击事件。因此，通过调整探测单元之间的相对距离，可以在实勘探中根据需要在精度和效率之间取得不同的平衡。在数值模拟时，大视野夹角数据需要对夹角范围内射线通量进行积分，其成像结果也较为模糊，但仍可满足某些快速勘探应用需要。