- 刘树彬;王宇;张志永;封常青;王婷;姚志杭;
缪子具有高穿透能力、无电离辐射危害等特性，可作为一种高能探针对物体内部进行探查和成像，在核安全监测、地质勘探、文化遗产保护等领域展现出独特优势。近年来，缪子成像技术已成为非破坏性探测领域的前沿方向。宇宙线缪子源于高能质子与大气层中原子核的相互作用，具有广角分布与低通量（～1 muon/cm~2/min）的特点。缪子成像包括透射成像（基于通量衰减测量密度分布）和散射成像（利用多重库仑散射反演材料原子序数），结合时间测量与位置测量技术还可实现动态监测、时钟同步等功能。探测器性能是保证缪子成像质量的关键条件之一：透射成像要求角分辨率优于10 mrad，以分辨大尺寸物体的米级结构；而散射成像需角分辨率优于1 mrad，以探测微小散射角变化。微网格气体探测器（Micro-MEsh-GAseous Structure,Micromegas）因兼具高位置分辨率（好于200μm）、易于大面积制作及可模块化设计等优点，成为当前最理想的选项之一。中国科学技术大学团队基于Micromegas探测器及低噪声多通道可扩展读出电子学系统研制的缪子散射层析与透射辐射成像装置（μScattering Tomography&Transmission Radiography Imaging faCility，μSTC）系统，并进行了一系列透射、散射成像验证。
2026年04期 v.46;No.323 463-478页 [查看摘要][在线阅读][下载 1508K] [下载次数：90 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 刘承恩;张荣峰;秦梓博;李奇特;周辰;李强;
宇宙射线缪子散射成像领域通常聚焦于提升成像区域的图像质量，对于其他区域的成像点及入射粒子各成分占比，尚缺乏系统的讨论。本文系统研究了海平面宇宙射线对缪子散射成像测量的影响。通过对PoCA(Point of Closest Approach)算法重建结果的分析，发现探测器区域内出现的PoCA点聚集并非单纯背景噪声，而是具有特定物理起源的系统性信号，主要源于宇宙射线在探测系统上方材料中相互作用产生的次级粒子，其在探测器中的记录会引发虚假位置信号，进而对散射重建产生显著影响。结合Geant4与CRY(Cosmic-ray Shower Generator)程序开展蒙特卡洛模拟，定量研究了该效应对覆盖材料种类与面密度的依赖性。在此基础上，进一步利用灵敏区内事例的散射角分布，通过多模板联合拟合方法对海平面宇宙射线粒子成分进行了测定。结果表明，缪子仍占主导地位，电子成分可被约束在百分之几的水平。因此，缪子散射探测系统不仅可用于目标成像，也可为海平面宇宙射线研究与本底扣除提供重要参考。
2026年04期 v.46;No.323 479-486页 [查看摘要][在线阅读][下载 794K] [下载次数：39 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 翟佳佳;徐宇;喻佩;邓力;陈良文;
本文针对GeV束流缪子成像中的能量展宽效应开展模拟研究，旨在探究高能束流缪子的能量展宽与角度发散等因素对不同材料成像结果的影响。研究基于强流重离子加速器装置（HIAF）可产生的高能缪子束流特性，利用Geant4蒙特卡洛模拟平台构建多种材料模型，采用最近邻点算法（PoCA）及结合动量修正的改进型最近邻点算法（mPoCA）进行图像重建。通过调制传递函数（MTF）量化评估图像边缘分辨能力，并借助调制传递系数（MTC）比较能量发散对成像效果的影响。模拟结果表明，束流缪子能量展宽与角度发散的增大会显著降低成像质量；提高束流缪子能量、提升探测器的位置分辨能力，可改善成像质量。
2026年04期 v.46;No.323 487-494页 [查看摘要][在线阅读][下载 898K] [下载次数：13 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 冯世进;冯伟康;韩然;张晓磊;张溢诚;夏博林;
为解决城市地下隧道上覆土体深度难以连续、非破坏、定量获取的难题，本研究基于宇宙线缪子透射成像技术，提出一种适用于软土厚覆盖环境的覆土深度反演方法。以上海崇明某陆域段隧道为研究对象，采用双层塑料闪烁体缪子探测系统开展隧道内原位通量观测，结合修正Gaisser-Guan海平面缪子能谱，构建缪子透射率-等效密度长度-天顶角之间的解析关系。利用近垂直方向缪子通量对两测点上覆介质缪子透射率进行反演，所得密度长度结果与钻孔资料计算值的相对误差分别为2.4%和4.7%。在此基础上，引入钻孔分层土体密度区间对上覆介质平均密度进行约束，将等效密度长度进一步转换为上覆土层深度，P_1测点深度反演范围为30.4～31.7 m,P_2测点为33.8～35.2 m，相对于钻孔深度31.9 m和32.9 m的偏差约为2.5%～6.6%。结果表明，缪子透射成像技术能以7%精度水平表征隧道上覆土体的密度长度及几何深度，可为在役隧道上覆土体深度复核和长期被动监测提供一种无损且高效的技术途径。
2026年04期 v.46;No.323 495-504页 [查看摘要][在线阅读][下载 1004K] [下载次数：83 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 申茂;罗思远;赵书号;黄宣凯;王立志;王晓冬;
宇宙线缪子成像技术作为一种非破坏性探测手段，在高原子序数、高密度目标物体探测及复杂结构成像中具有独特优势。本文设计并实现了一种基于三角截面塑料闪烁体阵列的平板型缪子探测系统。该系统采用多层平板结构，在两个正交方向上实现二维位置灵敏探测，通过电荷重心法对缪子击中位置进行精确重建，并结合多层径迹拟合与散射成像方法，实现对目标物体的重建成像。本文首先基于Geant4平台，对探测器的位置分辨能力及散射成像性能开展系统研究。仿真结果表明，该系统具备良好的位置分辨性能，能够准确重建目标物体的空间位置与轮廓，验证了所设计探测系统及散射成像方法的有效性。随后搭建实验平台开展性能测试，实验结果显示：单层探测效率约为95.8%，位置分辨率约为2.3 mm，表明该探测系统具有较高的探测效率与良好的位置分辨能力。
2026年04期 v.46;No.323 505-516页 [查看摘要][在线阅读][下载 1092K] [下载次数：41 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 喻爱诗;程雪;卢亮;
宇宙线缪子成像技术在核反应堆安全监测领域应用中，受限于宇宙线缪子（μ子）本身的低通量，存在缪子数据采集时间长、探测效率低的技术瓶颈。针对这一局限性，本文提出了两种用于增大局部宇宙线缪子通量并缩短缪子采集时间的磁聚焦系统：大孔径高梯度超导螺线管系统与局部增强动态可调的四极铁聚焦系统。通过TraceWin和CST优化，得到两种聚焦系统初步优化后的计算结果。三台阶式超导螺线管设计：进口段、中段和出口段的“直径/长度/磁场”分别为1 m/0.5 m/5.5T、0.75 m/1 m/3.5T和0.5 m/0.5 m/5.5T。在距离出口0.5m处，对于动量在0.6～1.2 GeV/c的宇宙线缪子，通量放大倍数达到2.17。对于动量为0.599～98 GeV/c （约占缪子动量谱的99.947%）的宇宙线缪子，四极铁的通量放大倍数分别为2.104倍（距四极铁出口15 m）和2.013倍（距四极铁出口25 m）。本文还研究了入射角度对四极铁聚焦效果的影响。对于2 GeV/c的宇宙线缪子，入射角影响明显，但仍有一定聚焦效果；天顶角2.3 mrad以上的宇宙线缪子，无论是否聚焦系统，均无法穿过局部目标区域。对于0.599 GeV/c的宇宙线缪子，受过聚焦效应影响，在距四极铁出口15 m处，0～8 mrad天顶角均可收集800～900个宇宙线缪子计数；在25 m处，0～6 mrad天顶角均可收集200～300个计数。这些增强效果将降低宇宙线缪子收集时间或在相同收集时间下提高成像精度。这项工作建立了宇宙线缪子的聚焦方法，提高了宇宙线缪子成像技术在核反应堆堆芯探测应用中的效率。
2026年04期 v.46;No.323 517-525页 [查看摘要][在线阅读][下载 1048K] [下载次数：10 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 陈欣南;李雨芃;高春宇;范澄军;刘志英;唐晨阳;唐显;汤秀章;
近年来，μ子成像技术被广泛应用于火山监测、考古勘探、大型建筑物测量等场景的成像检测，μ子望远镜是μ子透射成像的基本工具。本研究研制了一套基于光导探测器的μ子望远镜，该装置由3层交叉排列的光导探测器阵列构成，探测阵列面积0.6 m×0.6 m，装置角分辨率14.2 mrad，位置分辨率4.72 mm，单层探测效率达到98.5%。对各探测器的性能进行了校正，并进行了长期稳定性实验。利用天然μ子进行了水平角和天顶角分布的测量，与理论数据符合较好。对成像效果进行了测试，在10天的实验周期内，对其上方约2 m高的样品进行透射成像实验，样品包括52 cm高的阶梯型铅块以及分开摆放的不同高度的铅块，通过与铅块的空间摆放角度及模拟结果对比分析得出μ子透射率分布与实际情况一致，在实验室内验证了μ子望远镜的成像性能，为将来应用于测量大型物体验证了方案的可行性。
2026年04期 v.46;No.323 526-533页 [查看摘要][在线阅读][下载 1256K] [下载次数：59 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 刘成龙;马英杰;王强;
缪子凭借其卓越的穿透能力，近年来在地球物理领域中备受关注。本研究利用Geant4模拟缪子能谱，根据Bonechi能谱设置缪子能量范围为0.1～10 GeV。通过研究在岩石（0～22 m，密度2.65 g/cm~3）与积雪（厚度10～70 cm、密度0.100～0.260 g/cm~3）条件下的能谱变化特性，验证通过缪子监测雪崩的可行性。模拟结果表明：岩石层是缪子通量衰减的主导因素。在4～16 m岩石介质中，高能段缪子能量损失率（1.94～2.03 MeV·cm~2/g）与文献一致。低能段（8 m岩石时<450 MeV, 16 m岩石时<250 MeV）计数因能量退化而上升，中能段统计存在波动。积雪层对高能段缪子（8 m岩石时>4 650 MeV,16 m岩石时>950 MeV）影响突出，计数随积雪厚度/密度增加呈线性下降（R~2>0.999），统计显著性达3σ（8 m岩石，置信度99.7%）和6σ（16 m岩石，置信度99.9%）。该结果为后续反演积雪结构、识别雪崩风险提供了定量依据与方法支撑。
2026年04期 v.46;No.323 534-541页 [查看摘要][在线阅读][下载 1073K] [下载次数：64 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 王齐;李翔;陈哲;王喆;何正扬;亢泽超;潘子文;
宇宙线缪子成像是一种无需放射源、适用于大尺度物体的非破坏性探测技术。三角形截面塑料闪烁条因可利用电荷重心法实现亚条宽的位置分辨而被广泛用于缪子成像探测。针对传统三角形塑料闪烁条依赖坯料机加工与手工抛光导致的效率低、成本高、一致性差等问题，本文创新性地提出一种可直接镜面成型的三角模具成型工艺。该工艺通过预聚合、阶梯控温聚合与应力退火等关键步骤，实现了带光纤槽的三角形闪烁体的一体化成型。本研究对比了新工艺与常规聚合机加工工艺生产的塑料闪烁体在荧光产生和传输中依赖的主要光学性能参数。实验结果表明，三角模具成型工艺在发射光谱、透过率、光输出、光衰减时间等核心光学性能上与常规聚合机加工一致。这说明新工艺不影响塑料闪烁体基体材料的基础光学性能。三角模具成型工艺在封装增强镜面反射膜或铝箔反射层时光衰减长度优于常规聚合机加工成型工艺，氧化钛封装在两种工艺下效果均最差。本研究验证了新型成型工艺的可行性与优越性。该工艺可大幅提升三角形截面塑料闪烁体的生产效率与几何一致性，显著降低了成本，为推进宇宙线缪子成像技术的实用化与规模化应用奠定了材料基础。
2026年04期 v.46;No.323 542-551页 [查看摘要][在线阅读][下载 950K] [下载次数：33 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 于文燕;杨坤杰;何星慧;刘仲礼;黄雅惠;
天然缪子是宇宙线与高层大气相互作用产生的高能量、高穿透能力的粒子，可应用于大型目标物的内部结构成像。缪子通量与大气环境中的温度、气压等因素密切相关，研究缪子通量与天气因素的关系具有重要的意义与应用价值。本研究采用塑料闪烁体缪子探测器，在渤海与黄海之间的山东半岛东北部海平面区域开展了为期270天的连续观测，累计采集约2.1×10~8个缪子事例，在此基础上系统分析了缪子通量的季节性变化规律。实验发现，缪子通量随气压降低而减小，随温度降低而增大，二者均存在明显的周期性变化规律。同时发现，缪子通量的变化还与太阳活动及地磁暴存在相关性。
2026年04期 v.46;No.323 552-560页 [查看摘要][在线阅读][下载 904K] [下载次数：25 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 杨喆;刘承恩;张荣峰;秦梓博;李奇特;周辰;李强;
在宇宙线缪子散射成像中，缪子散射探测系统的探测器不可避免地存在角度偏差，进而对散射重建结果产生系统性影响。本文提出一种基于宇宙线缪子径迹的原位全局自校正算法。该算法无需外部测量设备，通过构建包含多层旋转参数的全局χ~2最小化模型，利用数值微分法与高斯-牛顿迭代法实现参数的精确解耦与求解。结合基于Geant4与宇宙线簇射库（Cosmic-ray Shower Library,CRY）的蒙特卡洛模拟，证实了该算法具有良好的线性响应。最后，利用该算法分别对1天的空气实测数据与1天的铅块实测数据进行校正，结果表明，该算法具有良好的收敛性，校正后的位置残差呈现近似标准的窄高斯分布，有效恢复了探测系统的本征空间分辨能力。该方法具有轻量化与通用性强等特点，为缪子散射探测系统的高精度离线标定提供了解决方案。
2026年04期 v.46;No.323 561-568页 [查看摘要][在线阅读][下载 861K] [下载次数：18 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 蔡姝淳;王宇;刘树彬;王婷;姚志杭;封常青;
宇宙线缪子作为一种天然产生的强穿透性粒子，可为地下、水下等卫星信号不可用场景中的时间同步提供新思路。本文提出了基于宇宙线缪子径迹匹配的时间同步方案，该方案可不受时间窗符合对同步装置间初始时间同步的限制。针对该方案的同步性能，本文以匹配率和误匹配率为主要指标，分析探测器面积、间距、分辨率、匹配窗口等因素间的相互制约关系。为评估作为时间测量探测器的大面积塑料闪烁体对时间测量的影响，采用放射源进行测试，结果显示到达时间与击中位置存在依赖关系，验证了利用缪子径迹重建击中位置以修正到达时间的可行性。
2026年04期 v.46;No.323 569-577页 [查看摘要][在线阅读][下载 905K] [下载次数：32 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 赵书号;罗思远;王立志;黄宣凯;冯春添;周方杰;申茂;孟祥厅;王晓冬;
缪子成像是一种基于宇宙线缪子的无损探测方法，可为深部矿体结构探测与矿床勘查提供新的成像手段。本研究围绕钻井型缪子探测器，以目前已装配的含94个读出通道的原型模块为研究对象，利用示波器采集并分析各通道的宇宙线缪子信号波形，验证通道响应一致性，为前端电子学设计提供参考。研制了集成放大、判别、逻辑电平转换和电源于一体的单板前端原型电路，测试并优化单通道电路参数，将其扩展为8路前端电子学模块并开展温度稳定性测试。设计了基于FPGA核心板和底板的单通道前端电子学（FEE），实现对前端数字脉冲脉宽的测量，并通过通用异步收发器（UART）将数据传输至上位机。实验结果表明，各级电路能够将缪子信号转换为幅度约3 V、脉宽为数百纳秒的数字脉冲，并在25℃～55℃条件下稳定工作，满足后端数据采集的工程需求，为钻井型缪子探测系统的搭建与实现提供技术支撑。
2026年04期 v.46;No.323 578-587页 [查看摘要][在线阅读][下载 1267K] [下载次数：19 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 胡钰;王宇;王景成;庄浩;刘豪;张程骏;沈仲弢;封常青;刘树彬;
宇宙线缪子成像技术是一种无损探测大型目标体内部密度结构的手段，在地质勘探、大型建筑监测及考古等领域具有重要应用价值。面对大面积阵列型探测器读出、深地受限空间等测量场景，探测器构型存在显著差异，且深地作业对设备体积、功耗及集成密度提出了更严苛要求。为此，本文提出一种用于塑料闪烁体阵列耦合硅光电倍增管（SiPM）的通用小型化电子学系统方案。系统采用“前端电子学（FEE）+数据获取（DAQ）”的分布式架构，兼具高密度读出与灵活可配置特性。为验证该技术路线，本文研制了以SPIROC2E为核心的前端采集模块及以Kintex-7 FPGA为核心的后端控制模块；依托可重构触发逻辑与标准化接口设计，实现了单套电子学系统对平板型、圆柱型两种异构探测器阵列的通用化适配。测试结果表明：该系统在宽动态范围内具有较好的电荷测量线性度，基线噪声水平较低（典型通道高、低增益模式下的RMS分别为0.034 pC与0.331 pC），并可获取符合预期的缪子能量沉积谱。本研究为构建跨场景、多构型的缪子成像探测装备提供了一套通用电子学解决方案。
2026年04期 v.46;No.323 588-598页 [查看摘要][在线阅读][下载 1257K] [下载次数：87 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 卢巧灵;陈欣南;李雨芃;唐晨阳;高春宇;吴禹非;王晓;汤秀章;
宇宙射线μ子成像在高Z物质检测、核设施监测等领域应用广泛，位置分辨率是决定μ子探测器成像精度的核心指标。为优化漂移管探测器性能、支撑更高分辨率μ子成像需求，本课题利用~(90)Sr放射源产生的β射线，对研制的漂移管μ子探测器进行了位置分辨率实验测试。同时，依据实际前置放大电路的响应特性，建立了基于蒙特卡罗模拟的电子输运模型，定量分析了气压、气份比等因素对位置分辨率的影响，为探测器参数优化提供关键依据。结果表明，模拟与实验的一致性较好；气压为300 kPa时，位置分辨率为0.31 mm;Ar/CO_293∶7配比在非线性误差与淬灭效率间取得最佳平衡。在接近大气压的气压下，漂移管的位置分辨率可达0.43 mm。
2026年04期 v.46;No.323 599-605页 [查看摘要][在线阅读][下载 935K] [下载次数：15 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 付顾睿;李锋;尹雄才;陆世豪;王传傲;马盛介;王坚;
超级陶粲装置（Superτ-Charm Facility,STCF）是规划中的下一代高性能正负电子对撞机，其缪子探测器（MUD）承担着在强流本底下高效、精确鉴别缪子的关键任务，要求读出电子学系统的时间测量精度优于100 ps。为满足STCF MUD大规模、高精度的测量需求，研制了一款多通道时间数字转换器（TDC）专用集成电路（ASIC）。该芯片基于130 nm工艺，采用延迟锁定环（DLL）结构。为提升精度与线性度，设计中对电荷泵（CP）电路进行优化，集成了模拟负反馈网络与数字修调模块。测试结果表明，该TDC时间测量精度优于59.3 ps，动态范围达到10.0μs，微分非线性（DNL）和积分非线性（INL）分别优于0.15 LSB和0.25 LSB。该原型芯片的各项性能指标均满足STCF MUD的设计要求，为后续更高集成度读出ASIC的研制奠定了坚实基础。
2026年04期 v.46;No.323 606-615页 [查看摘要][在线阅读][下载 1327K] [下载次数：58 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 黄宣凯;罗思远;王立志;赵书号;申茂;冯春添;周方杰;王晓冬;
为解决缪子散射与透射成像研究中流程分散、脚本化实现难以统一管理的问题，本文开发了一个基于Qt的重建与可视化平台，覆盖PoCA、MLSDEM散射成像与透射成像两类典型流程。平台以模块化方式组织数据导入、参数配置、任务调度、结果展示和图像质量分析功能，支持二维/三维可视化及图像、数据导出，并整合环境信息获取。模拟数据验证结果表明，平台运行稳定，重建分布与模拟数据一致，可支撑后续算法对比和扩展开发。
2026年04期 v.46;No.323 616-627页 [查看摘要][在线阅读][下载 1465K] [下载次数：58 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 李雨芃;吴禹非;唐晨阳;陈欣南;高春宇;汤秀章;
宇宙射线μ子定位系统作为一种新型导航技术，利用宇宙射线μ子在自然界中普遍存在且具有强穿透能力的特点，可在复杂环境中实现定位与导航。本项目从μ子导航的基本原理出发，理论推导了基于μ子飞行时间的定位算法，提出了一种结合μ子径迹角度校正的优化定位算法。构建了实验室宇宙射线μ子定位系统（Muometric Positioning System，μPS）原理样机系统，通过实验验证了宇宙射线μ子定位的可行性，实验结果表明，系统的定位精度优于1 m。
2026年04期 v.46;No.323 628-634页 [查看摘要][在线阅读][下载 912K] [下载次数：35 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] 下载本期数据