Muon tomography is a useful method for monitoring special nuclear materials (SNMs) such as spent nuclear fuel inside dry cask storage. Multiple Coulomb scattering of muons can be used to provide information about the 3-dimensional structure and atomic number(Z) of the inner materials. Tomography using muons is less affected by the shielding material and less harmful to health than other measurement methods. We developed a muon detector for muon tomography, which consists of a plastic scintillator, 64 long wavelength-shifting (WLS) fibers attached to the top of the plastic scintillator, and silicon photomultipliers (SiPMs) connected to both ends of each WLS fiber. The muon detector can acquire X and Y positions simultaneously using a position determination algorithm. The design parameters of the muon detector were optimized using DETECT2000 and Geant4 simulations, and a muon detector prototype was built based on the results. Spatial resolution measurement was performed using simulations and experiments to evaluate the feasibility of the muon detector. The experimental results were in good agreement with the simulation results. The muon detector has been confirmed for use in a muon tomography system.
Park, Chanwoo;Baek, Min Kyu;Kang, In-soo;Lee, Seongyeon;Chung, Heejun;Chung, Yong Hyun
Nuclear Engineering and Technology
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제54권2호
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pp.601-607
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2022
In recent years, monitoring of spent nuclear fuel inside dry cask storage has become an important area of national security. Muon tomography is a useful method for monitoring spent nuclear fuel because it uses high energy muons that penetrate deep into the target material and provides a 3-D structure of the inner materials. We designed a muon tomography system consisting of four 2-D position sensitive detector and characterized and optimized the system parameters. Each detector, measuring 200 × 200 cm2, consists of a plastic scintillator, wavelength shifting (WLS) fibers and, SiPMs. The reconstructed image is obtained by extracting the intersection of the incoming and outgoing muon tracks using a Point-of-Closest-Approach (PoCA) algorithm. The Geant4 simulation was used to evaluate the performance of the muon tomography system and to optimize the design parameters including the pixel size of the muon detector, the field of view (FOV), and the distance between detectors. Based on the optimized design parameters, the spent fuel assemblies were modeled and the line profile was analyzed to conduct a feasibility study. Line profile analysis confirmed that muon tomography system can monitor nuclear spent fuel in dry storage container.
지하시설물의 정확한 매설위치를 파악하기 위해 다양한 지구물리탐사방법이 사용되고 있고, 정확도를 개선하기 위해 다수의 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 우주선 뮤온이라는 입자를 활용하여 새로운 개념의 탐사 방법을 통해 지하매설물 탐사 가능성을 분석하였다. 신틸레이터(scintillator)와 광증배관(silicon photomultiplier)을 조합하여 소형 뮤온 검출기 시작품을 제작하고, 뮤온 입자 계수에 대한 보정 작업을 수행하였다. 시작품을 활용하여 모형 토조의 지반두께를 측정하였으며, 실측값과 약 3%의 오차로 실측값에 가까운 값을 추정할 수 있었다. 또한 뮤온 검출기를 지하매설물 탐사용으로 활용하기 위해 토모그래피 해석기술에 대한 이론적 기반을 분석하고, 천정각(zenith angle) 보정 방법을 제시하였다. 연구 결과 뮤온 입자에 의한 탐사는 밀도 그 자체를 고해상도로 해석하는 것이 가능한 기술로써 지하매설물 탐사를 위해 활용 가능할 것으로 판단된다.
Following the launch of Rare Isotope Science Project in December 2011, a heavy ion accelerator complex in South Korea, named RAON, has since been designed. It includes a muon facility for muon spin rotation, relaxation, and resonance. The facility will be provided with 600 MeV and 100 kW (one-fourth of the maximum power) proton beam. In this study, the graphite target in RAON was designed to have a rotating disk shape and was cooled by radiative heat transfer. This cool-down process has the following advantages: a low-temperature gradient in the target and the absence of a liquid coolant cooling system. Monte Carlo simulations and ANSYS calculations were performed to optimize the target system in a thermally stable condition when the 100 kW proton beam collided with the target. A comparison between the simulation and experimental data was also included in the design process to obtain reliable results. The final design of the target system will be completed within 2020, and its manufacturing is in progress. The manufactured target system will be installed at the RAON in the Sindong area near Daejeon-city in 2021 to carry out verification experiments.
Recently, two instruments of cosmic ray are operating in South Korea. One is Seoul muon detector after October 1999 and the other is Daejeon neutron monitor (Kang et al. 2012) after October 2011. The former consists of four small plastic scintillators and the latter is the standard 18 NM 64 type. In this report, we introduce the characteristics of both instruments. We also analyze the flux variations of cosmic ray such as diurnal variation and Forbush decrease. As the result, the muon flux shows the typical seasonal and diurnal variations. The neutron flux also shows the diurnal variation. The phase which shows the maximum flux in the diurnal variation is around 13-14 local time. We found a Forbush decrease on 7 March 2012 by both instruments. It is also identified by Nagoya multi-direction muon telescope and Oulu neutron monitor. The observation of cosmic ray at Jangbogo station as well as in Korean peninsula can support the important information on space weather in local area. It can also enhance the status of Korea in the international community of cosmic ray experiments.
Pak, Kihong;Park, Junesic;Jeong, Jae Young;Kim, Jae Chang;Kim, Kyungmin;Kim, Yong Hyun;Son, Jaebum;Lee, Ju Hahn;Lee, Wonjun;Kim, Yong Kyun
Nuclear Engineering and Technology
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제53권10호
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pp.3344-3351
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2021
The Rare Isotope Science Project was launched in 2011 in Korea toward constructing the Rare isotope Accelerator complex for ON line experiments (RAON). RAON will house several experimental systems, including the Muon Spin Rotation/Relaxation/Resonance (μSR) facility in High Energy Experimental Building B. This facility will use 600-MeV protons with a maximum current of 660 pμA and beam power of 400 kW. The key μSR features will facilitate projects related to condensed-matter and nuclear physics. Typical experiments require a few million surface muons fully spin-polarized opposite to their momentum for application to small samples. Here, we describe the design of a muon transport beam line for delivering the requisite muon numbers and the electromagnetic-component specifications in the μSR facility. We determine the beam-line configuration via beam-optics calculations and the transmission efficiency via single-particle tracking simulations. The electromagnet properties, including fringe field effects, are applied for each component in the calculations. The designed surface-muon beamline is 17.3 m long, consisting of 2 solenoids, 2 dipoles affording 70° deflection, 9 quadrupoles, and a Wien filter to eliminate contaminant positrons. The average incident-muon flux and spin rotation angle are estimated as 5.2 × 106 μ+/s and 45°, respectively.
As a relatively new radiation imaging method, the cosmic-ray muon scattering imaging technology can be used to prevent nuclear smuggling and is of considerable significance to nuclear safety. Proposed in this paper is a new reconstruction algorithm based on density clustering, aiming to improve inspection quality with better performance. Firstly, this new algorithm is introduced in detail. Then in order to eliminate the inequity of the density threshold caused by the heterogeneity of the muon flux in different positions, a new flux correction method is proposed. Finally, three groups of simulation experiments are carried out with the help of Geant4 toolkit to optimize the algorithm parameters, verify the correction method and test the inspection quality under shielded condition, and compare this algorithm with another common inspection algorithm under different conditions. The results show that this algorithm can effectively identify and locate nuclear material with low misjudging and missing rates even when there is shielding and momentum precision is low, and the threshold correcting method is universally effective for density clustering algorithms.
Jae Young Jeong;Jae Chang Kim;Kihong Pak;Yong Hyun Kim;Yong Kyun Kim;Wonjun Lee;Ju Hahn Lee;Taek Jin Jang
Nuclear Engineering and Technology
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제55권10호
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pp.3768-3774
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2023
The purpose of the target system for the muon spin rotation, relaxation, and resonance (µSR) facility at the Rare isotope Accelerator complex for ON-line experiments (RAON) is to induce the production of a significant number of surface muons in thermally stable experiments. The manufactured target system was installed at RAON in the Sindong area near Daejeon in 2021. The design was made conservatively with a sufficient margin of safety through ANSYS calculations; however, verification experiments had to be performed on the ANSYS calculations. Because the 600-MeV proton beam has not yet been provided, an alternative way to reproduce the calculation conditions was required. The radio frequency (RF) heating method, which has not yet been applied to the target verification experiment but has several advantages, was used. It was observed that the RF heating method has promise for testing the thermal stability of the target, and whether the target system design process was performed conservatively enough was verified by comparing the RF heating experiments with the ANSYS calculations.
Park, Byeong-Hyeon;Kim, Yong-Kyun;Kang, Jeong-Soo;Kim, Young-Jin;Choi, Ihn-Jea;Kim, Chong;Hong, Byung-Sik
Journal of Radiation Protection and Research
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제36권1호
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pp.35-43
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2011
The PHENIX Experiment is the largest of the four experiments that have taken data at the Relativistic Heavy Ion Collider. PHENIX, the Pioneering High Energy Nuclear Interaction eXperiment, is designed specifically to measure direct probes of the collisions such as electrons, muons, and photons. The primary goal of PHENIX is to discover and study a new state of matter called the Quark-Gluon Plasma. Among many particles, muons coming from W-boson decay gives us key information to analyze the spin of proton. Resistive plate chambers are proposed as a suitable solution as a muon trigger because of their fast response and good time resolution, flexibility in signal readout, robustness and the relatively low cost of production. The RPC detectors for upgrade were assembled and their performances were evaluated. The procedure to make the detectors better was optimized and described in detail in this thesis. The code based on ROOT was written and by using this the performance of the detectors made was evaluated, and all of the modules for north muon arm met the criteria and installation at PHENIX completed in November 2009. As RPC detectors that we made showed fast response, capacity of covering wide area with a resonable price and good spatial resolution, this will give the opportunity for applications, such as diagnosis and customs inspection system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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