利用宇宙射线μ子快速识别重核材料的方法技术

本发明专利技术公开了利用宇宙射线μ子快速识别重核材料的方法，解决现有技术在港口、机场安全检查等防止核扩散应用场景对集装箱或其他容器内是否藏匿有特殊核材料判断时间长及准确度低的问题。本发明专利技术包括以下步骤：首先构建宇宙线μ子探测系统模型，计算106个μ子穿过常见高中低原子序数材料目标物散射角均方根值θi序列；其次计算探测系统短时间内测得μ子穿过目标物散射角均方根值θx；然后计算θx与θi序列中每个值的灰色关联度，当灰色关联度最高时，则目标物为重核材料。本发明专利技术设计巧妙，且易于实现，能快速准确判断出密闭容器内是否藏匿有特殊核材料，非常适用于在海关码头及机场对集装箱或其他容器等货物中是否藏匿有重核材料进行检测。

Fast identification of heavy nuclear materials by cosmic ray muon

The invention discloses a method for quickly identifying heavy nuclear materials by using cosmic ray muons, and solves the problems of long time and low accuracy in judging whether special nuclear materials are hidden in containers or other containers in the application scenarios of preventing nuclear proliferation such as port and airport security inspection. The invention comprises the following steps: firstly, the model of the cosmic ray muon detection system is constructed, and the scattering angle mean square root value theta I sequence of 106 muons passing through common high and low atomic number materials is calculated; secondly, the scattering angle mean square root value theta X of muons passing through the target is measured in a short time by the detection system; and then each theta X and theta I sequence is calculated. When the grey correlation degree is the highest, the target value is the heavy core material. The invention has ingenious design and is easy to realize, and can quickly and accurately determine whether special nuclear materials are hidden in the sealed container. It is very suitable for detecting whether heavy nuclear materials are hidden in containers or other containers in customs terminals and airports.

【技术实现步骤摘要】
利用宇宙射线μ子快速识别重核材料的方法
本专利技术涉及核技术应用领域，具体涉及利用宇宙射线μ子快速识别重核材料的方法。
技术介绍
随着核技术的发展，核电的复兴，更多“事实核国家”的出现，恐怖主义势力谋取核材料、核武器的可能性不断增加，国际核安全形势十分严峻，对此，一方面相关国家的涉核单位和海关都在加强核材料生产、储存和运输过程中的监管；另一方面各个国家都在努力开发和研制高性能的检测系统，以有效打击核材料的走私和非法运输。核材料通常指含有可裂变反应的铀、钚等具有高原子序数元素的物质，这些高原子序数的物质又可称为重核物质。现有的核材料检测系统采用高灵敏度的γ探测器和中子探测器相结合的方式，能检测到集装箱等大型物体中藏匿的重核物质。然而穿透致密物质能力有限或人为增加辐射剂量是现有成像技术在检测核材料不可回避的问题。无论是武器级还是低富集度的核材料，如果被常见的较高原子序数材料(例如铅、钨)、氢化物(例如聚乙烯)或者其他中子吸收材料(含锂、硼的化合物)屏蔽，常规的放射性检测设备就不能有效地发挥作用。宇宙线μ子(宇宙射线到达地面的主要成分为μ子)成像技术作为一种近年来新兴的非侵入式无损探测技术，于本世纪初由美国提出并实现，它基于不同原子序数材料对天然宇宙射线μ子的散射特性差异来反演目标对象内部三维图像，从而获取目标对象内部的材料组成、几何形状、尺寸等信息，具有安全性(无需人工辐照)、非破坏性(无需拆解、不会损坏部件)、对核材料灵敏度高、穿透屏蔽能力强等众多同类技术无法比拟的天然优势，此项技术在防范核走私、核不扩散等领域展现出广阔的应用前景。算法是该技术的核心部分，开发适用于各种场景的算法是重要的研究方面。由于宇宙射线通量较低，开发快速识别密封容器内重核材料算法是该技术在防范核走私、核不扩散等领域应用的前提条件。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供利用宇宙射线μ子快速识别重核材料的方法，解决现有技术在港口、机场安全检查等防止核扩散应用场景对集装箱或其他容器内是否藏匿有特殊核材料判断时间长及准确度低的问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：利用宇宙射线μ子快速识别重核材料的方法，包括以下步骤：(1)构建宇宙线μ子探测系统模型，将常见高中低原子序数材料目标物置于宇宙线μ子探测系统模型中，利用蒙特卡罗程序包Geant4模拟μ子在宇宙线μ子探测系统模型中输运过程，记录106个μ子穿过宇宙线μ子探测系统模型的探测区域内常见高中低原子序数材料目标物后产生的散射角数据，同时根据该散射角数据计算出μ子穿过常见高中低原子序数材料目标物的散射角均方根值θi，其中i表示常见高中低原子序数材料的种类序号，根据散射角均方根值θi建立μ子散射数据完备数据库；(2)将待识别目标物置于步骤(1)中的宇宙线μ子探测系统模型的探测区域内，计算不同数量μ子穿过待识别目标物的散射角均方根值θx，同时利用以下算法计算出θx与μ子散射数据完备数据库中θi序列之间的灰色关联度γ，γ表示θx与μ子散射数据完备数据库中θi序列中某个值的相似性，所述灰色关联度γ的计算方法如下：δi＝|θx-θi|,(1.1)M＝max|θx-θi|,m＝min|θx-θi|(1.2)其中，i表示材料种类序号，并且i＝(1,2,3,…,m)，ξ表示区分系数，δi表示表示θi和θx差值绝对值，M表示δi的最大值，m表示δi的最小值，并且ξ∈(0，1)；(3)根据步骤(2)中所计算的灰色关联度γ，采用决策函数f(x)对待识别目标物进行识别，所述决策函数f(x)具体为：其中，当f(x)值为1时，待识别目标物为重核材料，当f(x)小于1时，则待识别目标物不是重核材料。进一步地，步骤(1)中，所述μ子散射数据完备数据库中包括不同尺寸常见高中低原子序数材料目标物的散射角均方根值θi数据库，并且在步骤(2)中，待识别目标物的散射角均方根值θx选择与跟该待识别目标物的尺寸相同的常见高中低原子序数材料目标物的散射角均方根值θi数据库中的θi序列进行灰色关联度γ计算。进一步地，步骤(2)中，所述ξ为0.5。本专利技术在实际应用时，选取100组数据分别利用决策函数f(x)对结果进行判定，得到准确率大于95％时需要的检测时间，利用机器学习的回归通过上述三个步骤训练出一个检测模型，具体方法为将待检测目标物与数据库中相同尺寸重核材料数据以及需要的检测时间一一对应起来。当需要对待检测目标物进行鉴别时，可根据目标物的尺寸选择对应的数据库以及检测时间，利用检测系统测得规定时间的μ子散射数据，并将该μ子散射数据输入到上述训练出的检测模型中即可鉴别目标物的材料种类。本专利技术的设计原理在于，宇宙线μ子穿过材料后的散射角近似为一个高斯分布，短时间内获取的少量μ子散射角数据是不完备高斯分布，根据不完备数据特征值与重核材料μ子散射角特征值之前的相似度来判定目标物是否为重核材料。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术设计巧妙，且易于实现，能快速准确判断出密闭容器内是否藏匿有特殊核材料，非常适用于在海关码头及机场对集装箱或其他容器等货物中是否藏匿有重核材料进行检测。(2)由于宇宙线μ子的角度和能量分布比较随机，传统方法都是通过数理统计来实现对μ子数据的处理，而数量统计需要大量数据，就意味着检测时间耗时较长；而本专利技术的优势在于首先建立了μ子散射角完备数据库，并利用机器学习先训练出了针对不同尺寸目标物的检测模型，只需按照鉴别不同尺寸目标物所需时间利用探测系统获取相关数据输入模型即可对结果进行判定，在实际操作过程中省去了很多步骤，极大地提高了检测效率。(3)本专利技术只需探测μ子的径迹，得到μ子穿过探测区域的散射角数据即可，不必得到μ子能量数据，极大地降低了检测系统成本。附图说明图1为本专利技术具体实例中用到的宇宙线μ子探测系统立体结构示意图。图2为本专利技术具体实例中不同时间下区分10×10×10cm3大小的铀、铁及空气的准确率。图3为本专利技术具体实例中不同时间下判定屏蔽体是否存在铀块的准确率。图4为本专利技术具体实例中探测系统整体结构示意图。图5为本专利技术蒙特卡洛软件包Geant4建模图。图6为本专利技术中宇宙射线μ子穿过10×10×10cm3不同材料的散射角均方根值。具体实施方式下面结合附图说明和实施例对本专利技术作进一步说明，本专利技术的方式包括但不仅限于以下实施例。本专利技术提供的利用宇宙射线μ子快速识别重核材料的方法，设计巧妙，且易于实现，能快速准确判断出密闭容器内是否藏匿有特殊核材料，非常适用于在海关码头及机场对集装箱或其他容器等货物中是否藏匿有重核材料进行检测。本专利技术包括以下步骤：(1)构建宇宙线μ子探测系统模型，将常见高中低原子序数材料目标物置于宇宙线μ子探测系统模型中，利用蒙特卡罗程序包Geant4模拟μ子在宇宙线μ子探测系统模型中输运过程，记录106个μ子穿过宇宙线μ子探测系统模型的探测区域内常见高中低原子序数材料目标物后产生的散射角数据，同时根据该散射角数据计算出μ子穿过常见高中低原子序数材料目标物的散射角均方根值θi，其中i表示常见高中低原子序数材料的种类序号，根据散射角均方根值θi建立μ子散射数据完备数据库；(2)将待识别目标物置于步骤(1)中的宇宙线μ子探测系统模型的探测区域内，计算不同数量μ子穿过待识别目标物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.利用宇宙射线μ子快速识别重核材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)构建宇宙线μ子探测系统模型，将常见高中低原子序数材料目标物置于宇宙线μ子探测系统模型中，利用蒙特卡罗程序包Geant4模拟μ子在宇宙线μ子探测系统模型中输运过程，记录106个μ子穿过宇宙线μ子探测系统模型的探测区域内常见高中低原子序数材料目标物后产生的散射角数据，同时根据该散射角数据计算出μ子穿过常见高中低原子序数材料目标物的散射角均方根值θi，其中i表示常见高中低原子序数材料的种类序号，根据散射角均方根值θi建立μ子散射数据完备数据库；(2)将待识别目标物置于步骤(1)中的宇宙线μ子探测系统模型的探测区域内，计算不同数量μ子穿过待识别目标物的散射角均方根值θx，同时利用以下算法计算出θx与μ子散射数据完备数据库中θi序列之间的灰色关联度γ，γ表示θx与μ子散射数据完备数据库中θi序列中某个值的相似性，所述灰色关联度γ的计算方法如下：δi＝|θx‑θi|，  (1.1)M＝max|θx‑θi|，m＝min|θx‑θi|  (1.2)

【技术特征摘要】
1.利用宇宙射线μ子快速识别重核材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)构建宇宙线μ子探测系统模型，将常见高中低原子序数材料目标物置于宇宙线μ子探测系统模型中，利用蒙特卡罗程序包Geant4模拟μ子在宇宙线μ子探测系统模型中输运过程，记录106个μ子穿过宇宙线μ子探测系统模型的探测区域内常见高中低原子序数材料目标物后产生的散射角数据，同时根据该散射角数据计算出μ子穿过常见高中低原子序数材料目标物的散射角均方根值θi，其中i表示常见高中低原子序数材料的种类序号，根据散射角均方根值θi建立μ子散射数据完备数据库；(2)将待识别目标物置于步骤(1)中的宇宙线μ子探测系统模型的探测区域内，计算不同数量μ子穿过待识别目标物的散射角均方根值θx，同时利用以下算法计算出θx与μ子散射数据完备数据库中θi序列之间的灰色关联度γ，γ表示θx与μ子散射数据完备数据库中θi序列中某个值的相似性，所述灰色关联度γ的计算方法如下：δi＝|θx-θi|，(1.1)M＝max|θx-θi|，...

【专利技术属性】
技术研发人员：何伟波，肖洒，李英儒，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51