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.
Nondestructive radiography using cosmic ray muons has been used for decades to monitor nuclear reactor and spent nuclear fuel storage. Because nuclear fuel assemblies are highly dense and large, typical radiation probes such as x-rays cannot penetrate these target imaging objects. Although cosmic ray muons are highly penetrative for nuclear fuels as a result of their relatively high energy, the wide application of muon tomography is limited because of naturally low cosmic ray muon flux. This work presents a new image reconstruction algorithm to maximize the utility of cosmic ray muon in tomography applications. Muon momentum information is used to improve imaging resolution, as well as muon scattering angle. In this work, a new convolution was introduced known as M-value, which is a mathematical integration of two measured quantities: scattering angle and momentum. It captures the objects' quantity and density in a way that is easy to use with image reconstruction algorithms. The results demonstrate how to reconstruct images when muon momentum measurements are included in a typical muon scattering tomography algorithm. Using M-value improves muon tomography image resolution by replacing the scattering angle value without increasing computation costs. This new algorithm is projected to be a standard nondestructive radiography technique for spent nuclear fuel and nuclear material management.
Park, Chanwoo;Baek, Min Kyu;Kang, In-soo;Lee, Seongyeon;Chung, Heejun;Chung, Yong Hyun
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.2
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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.
Seo, Seunghwan;Chung, Moonkyung;Kwak, Kiseok;Kang, Jae Mo
Journal of the Korean Geotechnical Society
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v.38
no.11
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pp.137-147
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2022
Various geophysical exploration methods are used to determine the exact location of underground utilities, and many studies have been performed to improve the accuracy. This study analyzed the feasibility of exploring underground utilities through a new exploration method using cosmic ray muon. A prototype of a portable muon detector was manufactured by combining a scintillator and a silicon photomultiplier. Further, a calibration operation was performed on the muon count rate. The ground thickness of the ground model was measured using the muon detector prototype, where the value could be estimated with an error of about 3%, close to the actual. In addition, the theoretical basis for tomography analysis technology was analyzed to utilize the muon detector for exploring underground utilities, and a zenith angle correction method was presented. This study revealed that the technology of exploration using muon can analyze density with high resolution and will be used for exploring underground utilities.
Cosmic-ray muon scattering tomography (MST) technology is a new radiation imaging technology with unique advantages. As the performance of its image reconstruction algorithm has a crucial influence on the imaging quality, researches on this algorithm are of great significance to the development and application of this technology. In this paper, a fast inspection algorithm based on clustering analysis for the identification of the existence of nuclear materials is studied and optimized. Firstly, the principles of MST technology and a binned clustering algorithm were introduced, and then several simulation experiments were carried out using Geant4 toolkit to test the effects of exposure time, algorithm parameter, the size and structure of object on the performance of the algorithm. Based on these, we proposed two optimization methods for the clustering algorithm: the optimization of vertical distance coefficient and the displacement of sub-volumes. Finally, several sets of experiments were designed to validate the optimization effect, and the results showed that these two optimization methods could significantly enhance the distinguishing ability of the algorithm for different materials, help to obtain more details in practical applications, and was therefore of great importance to the development and application of the MST technology.
Purpose: Muons are characterized by a strong penetrating ability and can travel through thousands of meters of rock, making them ideal to image large volumes and substances typically impenetrable to, for example, electrons and photons. The feasibility of 3D image reconstruction and material identification based on a cosmic ray muons tomography (MT) system with triangular bar plastic scintillator detectors has been verified in this paper. Our prototype shows potential application value and the authors wish to apply this prototype system to 3D imaging. In addition, an MT experiment with the same detector system is also in progress. Methods: A simulation based on GEANT4 was developed to study cosmic ray muons' physical processes and motion trails. The yield and transportation of optical photons scintillated in each triangular bar of the detector system were reproduced. An image reconstruction algorithm and correction method based on muon scattering, which differs from the conventional PoCA algorithm, has been developed based on simulation data and verified by experimental data. Results: According to the simulation result, the detector system's position resolution is below 1 ~ mm in simulation and 2 mm in the experiment. A relatively legible 3D image of lead bricks in size of 20 cm × 5 cm × 10 cm used our inversion algorithm can be presented below 1× 104 effective events, which takes 16 h of acquisition time experimentally. Conclusion: The proposed method is a potential candidate to monitor the cosmic ray MT accurately. Monte Carlo simulations have been performed to discuss the application of the detector and the simulation results have indicated that the detector can be used in cosmic ray MT. The cosmic ray MT experiment is currently underway. Furthermore, the proposal also has the potential to scan the earth, buildings, and other structures of interest including for instance computerized imaging in an archaeological framework.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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