摘要
自伦琴发表了历史上第一张X射线成像结果，粒子成像技术从实验室研究走向了生产生活的方方面面。电子、质子、中子、γ射线等粒子都可以作为探针，对物质内部结构进行探测。不同的粒子有着不同的穿透能力，对应着不同的成像应用技术方向。 粒子成像技术的本质是对粒子和物质的相互作用进行探测，并利用相互作用规律对空间物质分布进行成像。在核屏蔽材料检测、火山监控、大型建筑物成像、地质探测等应用场合中，常见的人造射线源无法穿透待测物质，也很难提供大面积覆盖，很难对此类物体进行探测成像。宇宙线缪子恰好能弥补这一缺陷，宇宙线缪子具有极强的穿透能力，能穿透数百米厚的岩石;同时，宇宙线缪子作为一种天然的射线源，获取方便，对人体无辐射危害，能在各种场合开展相应的成像实验。 目前，国际上已有多个研究小组展开了宇宙线缪子散射成像和透射成像研究，验证了宇宙线缪子对大尺度物体和重核物质成像的能力。然而，大多数实验存在着成像时间过长和成像精度不高的缺点，无法满足成像需求，成像系统还需进一步研究。本研究基于宇宙线缪子成像的特点，开展相关的性能分析、读出电子学研究和相应的成像实验。 本文利用粒子物理仿真软件包GEANT4和宇宙线粒子产生源CRY(Cosmic-RaY shower generator)，对缪子成像过程进行仿真。通过仿真模拟，探究不同位置分辨率对系统成像质量和物质区分能力的影响。 较好的位置分辨率需要较多的电子学通道对其进行读出，将极大地增加系统复杂度和成本，这也是目前高分辨缪子成像系统所面临的挑战之一。本文基于宇宙线缪子事例率低、击中位置稀疏的特点，开展了相应的编码读出方案研究。完成了基于哈密顿回路的编码方案，利用该编码方案开展宇宙线成像实验，可以将读出通道数降低一个量级，同时满足宇宙线缪子成像需求。 针对宇宙线缪子成像应用场景复杂、系统体量大的特点，本文开展了通用、可扩展的缪子成像读出电子学系统研究。采用前、后端电子学分立的架构，利用自定义协议的光纤实现不同电子学间通信，可以满足不同量级成像实验装置的读出需求。结合编码读出方案，单个前端电子学板可以读出2048路探测器通道;后端电子学板通过光纤，实现数据汇总处理、时钟触发分发和慢控制等功能。经测试，该读出电子学能满足宇宙线缪子成像实验的需求。 完成编码读出方案和电子学方案设计后，本文搭建了由8层探测器组成的散射成像实验样机和由4层探测器组成的透射成像实验样机。基于散射成像实验装置，开展了成像和物质区分实验，本套装置可以实现2cm尺寸物质的成像，并且可以实现对铅、钨、铁或铜的区分。透射成像实验装置可以完成不同方向缪子通量的测量，并实现建筑物成像。实验结果表明读出电子学系统能满足缪子散射成像和透射成像两种应用需求。 最后，本论文从技术发展和应用发展两个方向出发，提出了针对宇宙线缪子成像的进一步研究目标。
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