基于体素化能损投影算法的μ子成像正演模拟

摘要

宇宙线μ子成像是一种新型地球物理探测技术,具有穿透深度大、分辨率高以及无核辐射等优点,但是μ子成像技术一直沿用蒙特卡洛(Monte Carlo)概率统计成像方法,需要海量的样本和计算时间.为此,本文提出了一种基于体素化能损投影的快速成像正演算法,该方法基于Bethe-Bloch公式构建μ子穿过目标物体所满足的能量损失方程,以μ子入射的位置的能量值为初始值,采用体素为最小单位连续采样,拾取μ子照射方向的体素位置和物性参数,计算每个体素的能损值.然后逐层累加,求解每条μ子出射位置的能量损失值.为了验证方法的可行性和有效性,与广泛应用的Monte Carlo方法模拟程序包Geant4进行了比对,计算了垂直单能μ子源项成像场景下的不同金属矿的密度分类识别的ROC曲线,模拟了方铅矿的三维能损响应.结果表明:基于体素化能损投影算法的μ子成像正演模拟的分辨率不但高于蒙特卡洛计算方法,而且能够快速识别高密度金属矿种,提取隐伏矿的边界范围.由此可见,该方法突破了现有的μ子成像技术耗时长的技术瓶颈,具有实际应用前景.