Построение изображения по заряженным частицам, создаваемым космическими лучами

Построение изображения по заряженным частицам, создаваемым космическими лучами

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Притязание на приоритет

По этому патентному документу испрашивается приоритет предварительной заявки №61/092372 на патент США под названием “Imaging based on cosmic-ray produced charged particles”, поданной 27 августа 2008 года и предварительной заявки №61/145091 на патент США под названием “Tomographic imaging using energy loss of cosmic-ray produced charged particles”, поданной 15 января 2009 года, и они обе присоединены в качестве части этого документа путем ссылки.

Уровень техники

Этот патентный документ относится к обнаружению космического излучения и построению изображения по заряженным частицам, создаваемым космическими лучами.

Томография на основе космических лучей является способом, в котором многократное кулоновское рассеяние заряженных частиц (например, мюонов), создаваемых космическими лучами, используют для выполнения безопасного досмотра материала без применения искусственного излучения. Земля непрерывно бомбардируется стабильными частицами высокой энергии, преимущественно протонами, приходящими из глубокого космического пространства. Эти частицы взаимодействуют с атомами в верхних слоях атмосферы с образованием ливней частиц, которые включают в себя многочисленные короткоживущие пионы, которые распадаются, образуя долгоживущие мюоны. Мюоны взаимодействуют с веществом в основном вследствие кулоновской силы без ядерного взаимодействия, и излучение явно намного меньше, чем электронов. Такие частицы, создаваемые космическими лучами, медленно теряют энергию вследствие электромагнитных взаимодействий. Следовательно, многие из создаваемых космическими лучами мюонов достигают земной поверхности в виде сильно проникающих заряженных частиц. Поток мюонов на уровне моря составляет около 1 мюона на квадратный сантиметр в минуту. Кроме того, на уровне моря существует поток создаваемых космическими излучениями электронов вследствие образования дельта-лучей (выбивания электронов), тормозного излучения или распада частиц в наведенных космическими лучами ливней. Поток электронов на уровне моря составляет около 1 электрона на квадратный сантиметр за 3 минуты.

Когда заряженная частица, такая как мюон, перемещается сквозь материал, кулоновское рассеяние зарядов субатомных частиц возмущает ее траекторию. Полное отклонение зависит от нескольких свойств материала, но преобладающее влияние имеет атомный номер Z ядер. На траектории заряженных частиц (например, мюонов) более сильно влияют материалы, которые хорошо экранируют гамма-излучение, такие как свинец и вольфрам, и специальные ядерные материалы (СЯМ), такие как уран и плутоний, чем материалы, которые образуют более обычные объекты, такие как вода, пластик, алюминий и сталь. Каждая заряженная частица (например, мюон) несет информацию об объектах, сквозь которые она проникает. Рассеяние многочисленных заряженных частиц (например, мюонов) может быть измерено и обработано для исследования свойств этих объектов. Материал с большим атомным номером Z и высокой плотностью может быть обнаружен и идентифицирован, когда материал расположен внутри вещества с малым Z и средним Z.

Кулоновское рассеяние из атомных ядер в веществе приводит к очень большому количеству малоугловых отклонений заряженных частиц, когда они проходят сквозь вещество. Функцию коррелированного распределения можно использовать для приближенного описания смещения и углового изменения траектории, которая зависит от плотности и атомного заряда материала. Для примера, эту функцию распределения можно аппроксимировать гауссовым распределением. Ширина функции распределения пропорциональна обратной величине количества движения частицы и корню квадратному из реальной плотности материала, измеряемой на радиационных длинах. Функция коррелированного распределения создаваемых космическими лучами заряженных частиц (например, мюонов) может дать информацию относительно материалов на путях заряженных частиц без дозы излучения сверх земного фона, и надлежащее обнаружение таких создаваемых космическими лучами заряженных частиц (например, мюонов) можно выполнять способом, который является особенно чувствительным для обнаружения выбранных материалов, таких как хорошо экранирующие излучение материалы.

Томографическая система обнаружения заряженных частиц, например томографическая система обнаружения мюонов, может быть выполнена с возможностью выполнения томографии целевого объекта при досмотре на основании рассеяния заряженных частиц целевым объектом и может использоваться в качестве портального монитора на различных местах, таких как пограничные переходные пункты, порты, контрольные пункты на дорогах и другие пункты проверки безопасности, для обнаружения определенных целевых объектов, таких как контрабандные ядерные материалы, ядерное и обычное оружие и другая контрабанда. Томографические системы обнаружения заряженных частиц можно использовать совместно с другими детекторами ядерных материалов, такими как детекторы гамма- или рентгеновского излучения, или в качестве альтернативного решения. Детекторы гамма- и рентгеновского излучения работают при направлении гамма- и рентгеновского излучения к цели и измерении проникшего гамма- и рентгеновского излучения. Экранирование ядерных материалов может снижать скорости счета в детекторах гамма- и рентгеновского излучения и ухудшать характеристику обнаружения детекторов гамма- и рентгеновского излучения. Томографические системы обнаружения заряженных частиц могут быть выполнены с возможностью обнаружения экранированных ядерных материалов и объектов.

Краткое изложение

В этом документе предлагаются способы, установки и системы для получения томографических изображений представляющего интерес объема путем использования томографических систем обнаружения заряженных частиц.

Согласно одному аспекту способ контролирования объема, подвергаемого воздействию заряженных частиц, включает в себя измерение потери энергии заряженных частиц, которые входят и проникают сквозь объем или останавливаются внутри объема без проникновения сквозь объем; на основании измеряемой потери энергии определение пространственного распределения заряженных частиц, которые входят и проникают сквозь объем или останавливаются внутри объема без проникновения сквозь объем; и использование пространственного распределения потери энергии заряженных частиц для восстановления трехмерного распределения материалов в досматриваемом объеме.

Согласно другому аспекту предложена томографическая система досмотра, включающая в себя первый набор позиционно-чувствительных детекторов, расположенных на первой стороне участка размещения объекта, для измерения положений и направлений падающих заряженных частиц, входящих на участок размещения объекта; второй набор позиционно-чувствительных детекторов, расположенных на второй стороне участка размещения объекта, противоположной первой стороне, для измерения положений и направлений вылетающих заряженных частиц, выходящих с участка размещения объекта, или отсутствия заряженных частиц, которые остановились в объеме; и блок обработки сигналов для приема данных об измеренных сигналах от влетающих заряженных частиц из первого набора позиционно-чувствительных детекторов и измеренных сигналах от вылетающих заряженных частиц из второго набора позиционно-чувствительных детекторов. Блок обработки сигналов выполнен с возможностью анализа поведения заряженных частиц, обусловленных взаимодействиями с материалами в пределах участка размещения объекта, на основании измеренных входных и выходных положений и направлений заряженных частиц, чтобы получать томографический профиль или пространственное распределение материалов в пределах участка размещения объекта. Блок обработки сигналов является функционирующим для измерения потери энергии заряженных частиц, которые входят в объем и проникают сквозь объем, и заряженных частиц, которые останавливаются внутри объема без проникновения сквозь объем, определения пространственного распределения заряженных частиц, которые входят в объем и проникают сквозь объем, и заряженных частиц, которые останавливаются внутри объема без проникновения сквозь объем; и на основании измеренной потери энергии, при использовании пространственного распределения, для восстановления пространственного распределения материалов в пределах досматриваемого объема.

Согласно еще одному аспекту предложен способ контролирования объема, подвергаемого воздействию заряженных частиц, включающий в себя использование первого набора позиционно-чувствительных детекторов, расположенных на первой стороне объема, для измерения положений и направлений падающих заряженных частиц, которые проникают сквозь первый набор позиционно-чувствительных детекторов, чтобы войти в объем; использование второго набора позиционно-чувствительных детекторов, расположенных на второй стороне объема, противоположной первой стороне, для измерения положений и направлений вылетающих заряженных частиц, выходящих из объема, или отсутствия их; использование измерений, выполненных вторым набором позиционно-чувствительных детекторов, для определения падающих заряженных частиц, которые входят в объем и проникают сквозь объем, и заряженных частиц, которые не проникают сквозь объем, чтобы достичь второго набора позиционно-чувствительных детекторов; определение потери энергии заряженных частиц, которые входят в объем и проникают сквозь объем, и заряженных частиц, которые останавливаются внутри объема без проникновения сквозь объем; определение пространственного распределения заряженных частиц, которые входят в объем и останавливаются внутри объема без проникновения сквозь объем, на основании измеренной потери энергии; и использование пространственного распределения заряженных частиц, которые входят в объем и останавливаются внутри, для восстановления пространственного распределения материалов в досматриваемом объеме.

Согласно еще одному аспекту предложен способ контролирования объема, подвергаемого воздействию заряженных частиц, включающий в себя измерение потери энергии заряженных частиц, которые входят в объем и останавливаются внутри объема без проникновения сквозь объем; на основании измеренной потери энергии определение пространственного распределения заряженных частиц, которые входят в объем и останавливаются внутри объема без проникновения сквозь объем; и использование пространственного распределения для восстановления трехмерного пространственного распределения материалов в объеме согласно их соответствующим плотностям и атомным номерам. На основании этого пространственного распределения можно обнаруживать объекты в соответствии с их атомными номерами и плотностями.

Согласно еще одному аспекту предложен способ контролирования объема, подвергаемого воздействию заряженных частиц, включающий в себя измерение потери энергии заряженных частиц, которые входят в объем и останавливаются внутри объема без проникновения сквозь объем; на основании измеренной потери энергии определение пространственного распределения заряженных частиц, которые входят в объем и останавливаются внутри объема без проникновения сквозь объем; и использование пространственного распределения для обнаружения присутствия одного или нескольких материалов низкой плотности с малыми атомными номерами.

Согласно еще одному аспекту предложена томографическая система досмотра, включающая в себя первый набор позиционно-чувствительных детекторов, расположенных на первой стороне участка размещения объекта, для измерения положений и направлений падающих заряженных частиц относительно участка размещения объекта; второй набор позиционно-чувствительных детекторов, расположенных на второй стороне участка размещения объекта, противоположной первой стороне, для измерения положений и направлений вылетающих заряженных частиц, выходящих с участка размещения объекта; и блок обработки сигналов для приема данных об измеренных сигналах от падающих заряженных частиц из первого набора позиционно-чувствительных детекторов и измеренных сигналах от вылетающих заряженных частиц из второго набора позиционно-чувствительных детекторов. Блок обработки сигналов выполнен с возможностью анализа связанного с рассеянием поведения заряженных частиц, обусловленных рассеянием заряженных частиц в материалах в пределах участка размещения объекта, на основании измеренных входных и выходных положений и направлений заряженных частиц, чтобы получать томографический профиль или пространственное распределение центров рассеяния в пределах участка размещения объекта. Блок обработки сигналов является функционирующим для измерения потери энергии заряженных частиц, которые входят в объем и тормозятся внутри объема без проникновения сквозь объем, определения пространственного распределения заряженных частиц, которые входят в объем и останавливаются внутри объема без проникновения сквозь объем, на основании измеренной потери энергии, и использования пространственного распределения для восстановления трехмерного пространственного распределения материалов в объеме в соответствии с их плотностями и атомными номерами. На основании этого пространственного распределения объекты могут быть обнаружены в соответствии с их атомными номерами и плотностями. В одном осуществлении это можно использовать для обнаружения присутствия одного или нескольких материалов низкой плотности с малыми атомными номерами.

Согласно еще одному аспекту способ контролирования объема, подвергаемого воздействию заряженных частиц, включает в себя использование первого набора позиционно-чувствительных детекторов, расположенных на первой стороне объема, для измерения положений и направлений падающих заряженных частиц, которые проникают сквозь первый набор позиционно-чувствительных детекторов, чтобы войти в объем; использование второго набора позиционно-чувствительных детекторов, расположенных на второй стороне объема, противоположной первой стороне, для измерения положений и направлений вылетающих заряженных частиц, выходящих из объема; использование измерений, выполняемых вторым набором позиционно-чувствительных детекторов, для определения падающих заряженных частиц, которые входят в объем и не проникают сквозь объем, чтобы достигать второго набора позиционно-чувствительных детекторов; определение потери энергии заряженных частиц, которые входят в объем и останавливаются внутри объема без проникновения сквозь объем; определение пространственного распределения заряженных частиц, которые входят в объем и останавливаются внутри объема без проникновения сквозь объем, на основании измеренной потери энергии; и использование пространственного распределения для восстановления трехмерного пространственного распределения материалов в объеме в соответствии с их плотностями и атомными номерами. На основании этого пространственного распределения объекты могут быть обнаружены в соответствии с их атомными номерами и плотностями. В одном осуществлении это можно использовать для обнаружения присутствия внутри объема одного или нескольких материалов низкой плотности с малыми атомными номерами.

Согласно еще одному аспекту предложена томографическая система досмотра, включающая в себя первый набор позиционно-чувствительных детекторов заряженных частиц, расположенных на первой стороне участка размещения объекта, для измерения положений и направлений влетающих заряженных частиц, входящих на участок размещения объекта; второй набор позиционно-чувствительных детекторов заряженных частиц, расположенных на второй стороне участка размещения объекта, противоположной первой стороне, для измерения положений и направлений вылетающих заряженных частиц, выходящих с участка размещения объекта; и блок обработки сигналов в связи с первым и вторым наборами позиционно-чувствительных детекторов заряженных частиц для приема данных об измеренных сигналах от влетающих заряженных частиц из первого набора позиционно-чувствительных детекторов заряженных частиц и измеренных сигналах от вылетающих заряженных частиц из второго набора позиционно-чувствительных детекторов заряженных частиц; обнаружения на основании принятых данных входного количества движения каждой влетающей заряженной частицы и выходного количества движения каждой вылетающей заряженной частицы; и вычисления потери энергии на основании обнаруженных входного и выходного количеств движения.

Согласно еще одному аспекту предложен способ получения томографических изображений объекта при досмотре, включающий в себя обнаружение входного количества движения каждой влетающей заряженной частицы; обнаружение выходного количества движения каждой вылетающей заряженной частицы; вычисление потери энергии на основании обнаруженных входного и выходного количеств движения; и использование вычисленной потери энергии для восстановления трехмерного пространственного распределения материалов в объеме в соответствии с их плотностями и атомными номерами. На основании этого пространственного распределения объекты можно обнаруживать в соответствии с их атомными номерами и плотностями.

Согласно еще одному аспекту информацию, измеряемую для проникших заряженных частиц и захваченных заряженных частиц в представляющем интерес объеме, можно использовать для построения томографических изображений объема. На основании измерений относительно проникших и остановленных частиц блок обработки объединяет два или три вида данных измерений об изменениях траекторий проникших заряженных частиц (например, проникших мюонов), информацию относительно остановленных заряженных частиц, которые захвачены внутри представляющего интерес объема (например, относительно захваченных мюонов) и информацию относительно потери энергии проникших заряженных частиц (например, проникших мюонов) для построения томографического изображения представляющего интерес объема. В этом процессе используется информация из различных процессов внутри представляющего интерес объема для повышения качества и разрешения окончательного изображения представляющего интерес объема и уменьшения ложного обнаружения.

Эти и другие аспекты поясняются более подробно на чертежах, в описании и формуле изобретения.

Краткое описание чертежей

На чертежах:

фиг.1 - иллюстрация работы типовой газовой камеры в виде дрейфовой трубки, предназначенной для обнаружения заряженных частиц;

фиг.2 - вид типовой мюонной томографической системы, основанной на газовых камерах, описанных в этой заявке;

фиг.3 - оценка потока космических лучей на уровне моря, разделенного на электронную и мюонную составляющие;

фиг.4 - иллюстрация двух режимов использования космических лучей, рассмотренных в этой заявке; слева (а) представлена иллюстрация прошедшего космического луча и справа (b) представлена иллюстрация остановленного космического луча;

фиг.5 - зависимость эффективной средней длины свободного пробега от энергии; в этой оценке не учтено образование ливня электронов, а потеря энергии предполагается 2 МэВ/г/см²;

фиг.6 - график тормозной способности и радиационных длин для набора обычных материалов и взрывчатых материалов наряду с величинами ошибки измерения, ожидаемыми для образцов этих материалов размерами 22×22×22 см³ при одноминутной экспозиции;

фиг.7 - график произведения минимального значения потери (dE/dx) энергии и радиационной длины на протяжении периодической таблицы элементов;

фиг.8 - график двумерного распределения остановленных частиц космических лучей в 20-килограммовом блоке из вольфрама; красный пик представляет дополнительные остановленные частицы в вольфрамовом блоке и расположенные в системе координат X-Y вольфрама в детекторе;

фиг.9 - пример тормозной способности для заряженных частиц в зависимости от энергии падающих заряженных частиц;

фиг.10 - пример иллюстрации измерения потери энергии в материалах и того, каким образом по измеренной потере выявляются свойства материалов в представляющем интерес объеме; и

фиг.11 - иллюстрация работы системы из фиг.2 на основании информации, измеренной относительно проникших заряженных частиц и задержанных заряженных частиц.

Подробное описание

Томографические способы, установки и системы обнаружения заряженных частиц, описываемые в этой заявке, могут быть реализованы для обнаружения присутствия определенных объектов или материалов, таких как ядерные материалы, и для получения томографической информации о таких объектах при различных применениях, включая, но без ограничения им, досмотр упаковок, контейнеров, загруженных машин на пунктах контроля безопасности, пограничных переходах и других местах, для выявления ядерных, представляющих угрозу объектов, которые могут варьироваться от полностью снаряженных ядерных зарядов до небольших количеств хорошо экранированных ядерных материалов. Методика позволяет обнаруживать экранированные и неэкранированные ядерные материалы при использовании одной детекторной системы в компактной конфигурации с получением экономически эффективного способа обнаружения ядерных и других поражающих устройств и материалов.

Фоновым космическим излучением обеспечивается источник, который можно использовать для исследования внутренней структуры объектов без необходимости в дополнительном излучении. При мюонной томографии (МТ) образуют 3-мерные изображения «плотности рассеяния», плотности, взвешенной по радиационной длине материала. Мюонной томографией можно проводить различие между общими классами материалов (с большим, средним, малым Z) при временах облучения меньше одной минуты в 5-сантиметровых вокселах. Радиография области, в которой используют составляющую потока космических лучей, которая тормозится в исследуемом объекте, обеспечивает дополнительную информацию и может дополнять сигнал мюонной томографии способом, который дает информацию о составе материалов объектов. Трекер космических лучей, который измеряет падающие частицы, добавляет значительную статистическую мощность к информации об области.

В томографии заряженных частиц используют преимущество постоянного на уровне моря потока заряженных частиц, образуемых при взаимодействиях космического излучения с атмосферой Земли. Например, за пределами адронного сектора мюон взаимодействует только при посредстве кулоновских и слабых сил. Вследствие этого он является сильно проникающим в вещество. Эти заряженные частицы имеют среднюю энергию приблизительно 3 ГэВ. Например, большая часть атмосферных мюонов будет проникать в свинец больше чем на один метр. Мюоны достигают поверхности с распределением косинус в квадрате в зените. Поток является небольшим при углах от зенита, близких к 90°, а средний угол мюона от зенита равен 37,5°.

Признаки, описанные в этой заявке, можно использовать для построения различных томографических систем обнаружения заряженных частиц. Например, томографическая система на основе заряженных частиц может включать в себя участок или объем размещения объекта, предназначенный для размещения досматриваемого объекта, первый набор позиционно-чувствительных детекторов заряженных частиц, расположенных на первой стороне участка размещения объекта, для измерения положений и направлений падающих заряженных частиц относительно участка размещения объекта, второй набор позиционно-чувствительных детекторов заряженных частиц, расположенных на второй стороне участка размещения объекта, противоположной первой стороне, для измерения положений и направлений вылетающих заряженных частиц, выходящих с участка размещения объекта, и блок обработки сигналов, который может включать в себя, например, микропроцессор, для приема данных измеряемых сигналов от влетающих заряженных частиц из первого набора позиционно-чувствительных детекторов заряженных частиц и измеряемых сигналов от вылетающих заряженных частиц из второго набора позиционно-чувствительных детекторов заряженных частиц.

Для примера, каждый из первого и второго наборов детекторов заряженных частиц может быть реализован с включением дрейфовых трубок, скомпонованных для выполнения позиционных измерений заряженных частиц в первом направлении и позиционных измерений заряженных частиц во втором направлении, отличном от первого направления. Блок обработки сигналов выполнен с возможностью анализа связанного с рассеянием поведения заряженных частиц, обусловленных рассеянием заряженных частиц в материалах в пределах участка размещения объекта, на основании измеренных входных и выходных положений и направлений заряженных частиц, чтобы получать томографический профиль или пространственное распределение центров рассеяния в пределах участка размещения объекта. Получаемый томографический профиль или пространственное распределение центров рассеяния можно использовать для выявления присутствия или отсутствия одного или нескольких объектов на участке размещения объекта, таких как материалы с большими атомными номерами, включая ядерные материалы или устройства, или объекты с особыми показателями плотности и атомных номеров, такие как взрывчатые вещества с малым Z или другой контрабандный товар со средним или малым Z.

Кроме того, характеристики электромагнитных ливней, создаваемых заряженными частицами, такими как электроны высокой энергии, взаимодействующими с объектами в представляющем интерес объеме, можно получать на втором наборе детекторов заряженных частиц. Электроны и позитроны из создаваемых электромагнитных ливней перемещаются сквозь объем и выходят из второго набора детекторов заряженных частиц.

Каждый позиционно-чувствительный детектор заряженных частиц (например, мюонов) может быть выполнен в различных конфигурациях, включая дрейфовые ячейки, такие как дрейфовые трубки, заполненные газом, который может ионизироваться заряженными частицами. Такую систему можно реализовать, чтобы использовать создаваемые естественными космическими лучами заряженные частицы в качестве источника заряженных частиц для обнаружения одного или нескольких объектов на участке размещения объекта. Различные признаки типовых томографических систем обнаружения заряженных частиц описаны в заявке PCT/US2007/082573 под названием “Particle detection systems and methods», поданной 25 октября 2007 года (публикация WO2008/123892), которая включена в эту заявку путем ссылки в качестве части описания.

При некоторых применениях в системах обнаружения частиц можно использовать дрейфовые трубки для обеспечения трекинга заряженных частиц, таких как мюоны, проходящих сквозь объем. Однако специалистам в данной области техники должно быть понятно, что такие детекторы заряженных частиц можно использовать в иных применениях, а не для трекинга создаваемых космическими лучами заряженных частиц, чтобы обнаруживать иные заряженные частицы, а не создаваемые космическими лучами заряженные частицы. Эти детекторы заряженных частиц можно применять для любой заряженной частицы из любого подходящего источника. Например, мюоны могут создаваться космическими лучами или могут быть пучком мюонов низкой интенсивности из ускорителя.

Создаваемые космическими лучами заряженные частицы могут давать информацию без дозы излучения сверх земного фона, а надлежащее обнаружение таких создаваемых космическими лучами заряженных частиц можно выполнять способом, который является особенно чувствительным к хорошо экранирующим материалам. Систему обнаружения заряженных частиц можно выполнять с возможностью осуществления томографии целевого объекта при досмотре на основании рассеяния заряженных частиц целевым объектом. Систему можно выполнять с возможностью осуществления томографии для локализации рассеяния (RC и LS). Томографическое разрешение по положению может быть выражено приблизительно следующим образом:

,

где

- среднеквадратичное значение угла рассеяния, и

- размер объема при обнаружении установкой обнаружения.

Например, в случае типичного среднеквадратичного значения угла рассеяния 0,02 рад и установки размером 200 см томографическое разрешение по положению составляет 0,02×200 см=4 см.

В одном способе угловое разрешение определяется следующим уравнением, основанным на статистике Пуассона:

,

где

- среднеквадратичное значение угла рассеяния,

- количество создаваемых космическими лучами заряженных частиц, таких как мюоны, проходящих сквозь представляющую интерес область.

Например, угловое разрешение в случае (которое соответствует элементу разрешения 10×10 см²) после одной минуты счета составляет .

В таблице 1 показаны теоретические значения скорости (dE/dx) потери энергии и радиационной длины (Х) для различных материалов. После одной минуты счета на основании различных значений Х проведено различие между 10-сантиметровым кубом железа и 10-сантиметровым кубом свинца при стандартных отклонениях 6.

Таблица 1
Материал	dE/dx	χ
	МэВ×см2/г	см
H2O	2,06	36
Fe	1,87	1,76
Pb	1,54	0,56

Томографические способы, предназначенные для построения изображения или модели объекта по многочисленным проекциям, полученным из различных направлений, можно реализовать в основанной на космических лучах системе, чтобы получить дискретное томографическое восстановление представляющего интерес объема на основании данных, обеспечиваемых заряженными частицами. В некоторых реализациях методы имитационного моделирования Монте-Карло можно использовать для прикладных исследований и сокращения времен сканирования. Другие методы стохастической обработки также можно использовать при осуществлении построения томографического изображения заряженных частиц, описанного в этой заявке.

Основанную на космических лучах радиографическую функцию систем обнаружения частиц согласно осуществлениям можно легче понять при обращении к примерам систем обнаружения, применяемых для обнаружения заряженных частиц.

Дрейфовые трубки представляет собой газовые камеры, предназначенные для обнаружения движущихся заряженных частиц. Каждая дрейфовая трубка включает в себя газообразную среду, заключенную внутри камеры, которая может ионизироваться движущейся заряженной частицей, проходящей сквозь газообразную среду. Анодный проволочный проводник помещен вблизи центра дрейфовой трубки, а стенка дрейфовой трубки заземлена для установления электрического поля, направленного от анодного проволочного проводника к стенке. Влетающая заряженная частица ионизирует молекулы газа из газообразной среды с образованием свободных электронов, которые ускоряются электрическим полем к анодному проволочному проводнику. Для такого электрона можно измерить время дрейфа до достижения анодного проволочного проводника. В направлении пути заряженной частицы, влетающей внутрь дрейфовой трубки, измеряют времена дрейфа электронов, создаваемых на различных местах пути заряженной частицы, и используют их для определения трека заряженной частицы внутри дрейфовой трубки. Одно из применений дрейфовых трубок заключается в обнаружении заряженных частиц (например, мюонов) при использовании одной или нескольких решеток дрейфовых трубок.

На фиг.1 показана работа типовой газовой камеры в виде дрейфовой трубки, предназначенной для обнаружения заряженных частиц. Дрейфовая трубка в этом примере представляет собой цилиндрическую трубку, образованную наружной цилиндрической стенкой 110 и заполненную детекторным газом 112, таким как аргон-изобутан 230, что позволяет обнаруживать создаваемые космическими лучами заряженные частицы, такие как мюоны. Центральная анодная проволока 120, продолжающаяся по длине цилиндрической трубки, предусмотрена электрически смещенной до более высокого потенциала, чем наружная стенка 110, чтобы создавалось положительное напряжение (например, 2-3 кВ или выше) для формирования внутри трубки статического поля высокого напряжения, направленного по радиальным направлениям от анодной проволоки 120 к стенке 110 в области 112 ионизации с внутренней стороны наружной стенки 110. Когда заряженная частица 130 входит в трубку и взаимодействует с атомами газа в области 112, многочисленные электроны 132 высвобождаются из этих атомов газа. Статическое поле побуждает «вереницу» электронов дрейфовать к положительно заряженной анодной проволоке 120. Анодная проволока 120 может быть очень тонкой, например, 0,001 дюйма (0,0254 мм) в диаметре, вследствие чего вблизи проволоки 120 создается очень сильное электрическое поле, так что образуется электронная лавина, когда приходит первый электрон. Например, в некоторых дрейфовых трубках лавина заряда может составлять около 105 электронов на один приходящий электрон, которые легко обнаруживаются чувствительной электроникой. Анодная проволока 120 соединена со схемой считывания, и считывание выполняется электронным способом электроникой регистрации данных с преобразователями временных интервалов в код. Соответственно, когда заряженная частица перемещается по детекторной дрейфовой трубке, формируется сигнал попадания.

В примерах, описанных в этой заявке, можно использовать различные материалы для создания стенки 110 трубки, которая ограничивает область 112 ионизации. Например, алюминий и другие металлические или электропроводные материалы можно использовать для создания стенки 110. В качестве еще одного примера другие непроводящие материалы, такие как изоляторы, также можно использовать для создания наружной стенки 110, а электропроводный слой или покрытие можно образовывать на внутренней поверхности наружной стенки 110, например, из углепластика с внутренними проводящими покрытиями. Дрейфовые трубки могут быть цилиндрическими, с круговым поперечным сечением или других геометрий. Например, прессованием алюминия можно создавать дрейфовые трубки с многочисленными некруговыми поперечными сечениями.

Блок обработки сигналов может быть присоединен для приема и обработки данных, связанных с сигналом попадания с дрейфовой трубки из фиг.1. Этот блок обработки сигналов может быть встроен в схему регистрации данных детектора или может быть отнесен от детектора. Сигнал попадания включает в себя данные, собираемые с дрейфовой ячейки, и представляет собой: 1) момент времени, в которое попадание получается электроникой, отсчитываемый относительно согласованного, но произвольного начала, и 2) номер (или другой идентификатор) канала дрейфовой ячейки в случае детектора с использованием решетки дрейфовых трубок. Модуль обработки сигналов может включать в себя модуль восстановления трека, который восстанавливает трек заряженной частицы, проходящей сквозь детектор, и базу калибровочных данных для калибровки результата. Заранее определенная информация о положениях дрейфовых ячеек сохраняется в базе калибровочных данных. Модули могут быть программными средствами или аппаратными средствами.

Как показано на фиг.1, для прослеживания создаваемого космическими лучами мюона или другой заряженной частицы, проходящей сквозь определенный детектор с дрейфовой трубкой, при обработке данных можно использовать наилучшее приближение. Определяют «радиус дрейфа», обозначенный на фиг.1, представляющий самое короткое расстояние между линией пути заряженной частицы и анодной проволокой 120 детектора, протянутой