基于天然μ子散射特征评估铀板内水平狭缝宽度的方法
发布时间：2020-02-10 10:10
【摘要】：针对经典μ子成像方法用于特殊对象结构探测的技术难点,提出了一种通过直接比较对象发生结构变化前后μ子散射特征的差异来进行形变类型和尺度判定的新思路,称为正向参比法。相比于经典的逆向反演法,该方法在原理上对于初始结构已知的特殊核对象的结构变化探测更有优势。从初步模拟结果来看,在合理的天然μ子通量下,该方法可实现铀板内亚毫米尺度水平狭缝的存在及其尺度的准确判定。
【图文】：
狳昂蠖蕴烊挥钪嫔湎擀套拥纳⑸涮卣?变化来识别目标对象所发生的结构变化类型以及评估该特定结构变化的尺度的新方法。由于该方法不涉及逆向的图像反演（重建）过程，，而是采用了与预先建立的参比数据库进行比对的方法。并且，由于该方法规避了繁琐且易被干扰的图像重建过程，与目标对象的初始结构复杂程度无关，因而对于重核材料对象结构变化诊断相关领域而言，其适用性要比传统成像反演方法更为广泛。1方法原理为了解决传统的μ子散射成像反演法用于特殊目标对象结构差异诊断上的难题，我们尝试了一种新的方法，如图1所示。其基本思想是：首先，建立目标对象标准状态下的理论模型(P1)，然后充分考虑目标对象所有可能发生的一系列结构变化（包括形变类型、尺度、位置等多个参量），建立一组或多组与之分别对应的微扰模型(P2)。在这一步骤中，微扰模型体系必须具有很好的完备性。其次，通过蒙特卡罗模拟获得上述各个微扰模型对应的μ子散射特征量(P3)，然后将这些散射特征量与相应的结构变化形成一一对应的映射关系，从而组成一套完备的参比数据库待用(P4)。P1P4这几个步骤（图1中虚线框内）构成了该方法的先决条件。而在日常应用（步骤13）中，对于实际待测目标对象，采用μ子成像平台实验测量方法获得其μ子散射特征量，然后将该散射特征与数据库中的数据进行比对，寻找出相似度最高的条目，即可在给定的显著性水平α下，判定待测目标对象发生了相应的结构变化。由于该方法摒弃了较为繁琐、易引入误差的图像反演过程，试图通过直接比较两种状态下的目标对象对μ子的散射特征的差异来获取目标对象的结构变化信息，因而仅涉及正向的散射测量过程，故称之为“正向参比法”。图1正向参比法的实现及其所涉及的关键技术Fig.1Im
肖洒等：基于天然μ子散射特征评估铀板内水平狭缝宽度的方法050202-3图2铀板狭缝模型Fig.2SchematicillustrationofUslabswithaseriesofslitwidths.2.1.2μ子散射的蒙特卡罗模拟为了获得足够多的μ子散射径迹，我们编制了一套基于GEANT4的μ子成像系统来模拟μ子在目标对象中的多重库仑散射(MultipleCoulombScattering,MCS)行为。天然宇宙射线μ子源项采用CRY软件包[4]来生成。模拟计算中考虑了μ子与材料的库仑散射、电离以及轫致辐射等主要物理作用。2.1.3数据库的构建根据Moliere经验公式，μ子散射极角概率分布函数f(θ)对不同目标对象具有较好的特异性，故本文选取f(θ)作为μ子散射特征量。然而，由于天然μ子能谱范围极广、入射方向各异，f(θ)往往难以采用精确的解析函数进行描述。并且由于μ子与物质多重库仑散射的随机性，即使对于同一目标，两次实验得到的散射角分布也可能存在差异。考虑这两方面的因素，实际应用中，需要进行同一条件下的多次重复实验来构建总体f(θ)的多个独立样本。2.2目标对象结构变化的判定——基于假设检验的二元分类器根据上述分析，利用正向参比法评估目标物体结构变化的核心问题可归结为待测目标对象μ子散射特征量与预建数据库中μ子散射特征量之间的比对问题。考虑到实际采用的是多次重复实验获得的多个相互独立的散射角分布样本，因此问题的实质是：在总体分布形式f(Θ)未知的条件下，检验两个独立样本是否取自同一总体的非参数检验问题。这里采用比较累积频数分布函数的Kolmogorov-Smirnov(KS)检验方法[5]，其具体过程如下：令Θ为单个μ子的散射角度量：Θ=(Δθx)2+(Δθy)2(1)式中：Δθx、Δθy分别为XZ和YZ平面上的累积偏转角。假定?
本文编号：2578132
【图文】：
狳昂蠖蕴烊挥钪嫔湎擀套拥纳⑸涮卣?变化来识别目标对象所发生的结构变化类型以及评估该特定结构变化的尺度的新方法。由于该方法不涉及逆向的图像反演（重建）过程，，而是采用了与预先建立的参比数据库进行比对的方法。并且，由于该方法规避了繁琐且易被干扰的图像重建过程，与目标对象的初始结构复杂程度无关，因而对于重核材料对象结构变化诊断相关领域而言，其适用性要比传统成像反演方法更为广泛。1方法原理为了解决传统的μ子散射成像反演法用于特殊目标对象结构差异诊断上的难题，我们尝试了一种新的方法，如图1所示。其基本思想是：首先，建立目标对象标准状态下的理论模型(P1)，然后充分考虑目标对象所有可能发生的一系列结构变化（包括形变类型、尺度、位置等多个参量），建立一组或多组与之分别对应的微扰模型(P2)。在这一步骤中，微扰模型体系必须具有很好的完备性。其次，通过蒙特卡罗模拟获得上述各个微扰模型对应的μ子散射特征量(P3)，然后将这些散射特征量与相应的结构变化形成一一对应的映射关系，从而组成一套完备的参比数据库待用(P4)。P1P4这几个步骤（图1中虚线框内）构成了该方法的先决条件。而在日常应用（步骤13）中，对于实际待测目标对象，采用μ子成像平台实验测量方法获得其μ子散射特征量，然后将该散射特征与数据库中的数据进行比对，寻找出相似度最高的条目，即可在给定的显著性水平α下，判定待测目标对象发生了相应的结构变化。由于该方法摒弃了较为繁琐、易引入误差的图像反演过程，试图通过直接比较两种状态下的目标对象对μ子的散射特征的差异来获取目标对象的结构变化信息，因而仅涉及正向的散射测量过程，故称之为“正向参比法”。图1正向参比法的实现及其所涉及的关键技术Fig.1Im
肖洒等：基于天然μ子散射特征评估铀板内水平狭缝宽度的方法050202-3图2铀板狭缝模型Fig.2SchematicillustrationofUslabswithaseriesofslitwidths.2.1.2μ子散射的蒙特卡罗模拟为了获得足够多的μ子散射径迹，我们编制了一套基于GEANT4的μ子成像系统来模拟μ子在目标对象中的多重库仑散射(MultipleCoulombScattering,MCS)行为。天然宇宙射线μ子源项采用CRY软件包[4]来生成。模拟计算中考虑了μ子与材料的库仑散射、电离以及轫致辐射等主要物理作用。2.1.3数据库的构建根据Moliere经验公式，μ子散射极角概率分布函数f(θ)对不同目标对象具有较好的特异性，故本文选取f(θ)作为μ子散射特征量。然而，由于天然μ子能谱范围极广、入射方向各异，f(θ)往往难以采用精确的解析函数进行描述。并且由于μ子与物质多重库仑散射的随机性，即使对于同一目标，两次实验得到的散射角分布也可能存在差异。考虑这两方面的因素，实际应用中，需要进行同一条件下的多次重复实验来构建总体f(θ)的多个独立样本。2.2目标对象结构变化的判定——基于假设检验的二元分类器根据上述分析，利用正向参比法评估目标物体结构变化的核心问题可归结为待测目标对象μ子散射特征量与预建数据库中μ子散射特征量之间的比对问题。考虑到实际采用的是多次重复实验获得的多个相互独立的散射角分布样本，因此问题的实质是：在总体分布形式f(Θ)未知的条件下，检验两个独立样本是否取自同一总体的非参数检验问题。这里采用比较累积频数分布函数的Kolmogorov-Smirnov(KS)检验方法[5]，其具体过程如下：令Θ为单个μ子的散射角度量：Θ=(Δθx)2+(Δθy)2(1)式中：Δθx、Δθy分别为XZ和YZ平面上的累积偏转角。假定?
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