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.
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.
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.
The Standard Model (SM) does not provide an information for 26% of dark matter of the universe. In the dark sector, dark matter is supposed to be linked with the hypothetical particles called dark photons that have similar role to photons in electromagnetic interaction in the SM. Besides astronomical observation, there are studies to find dark matter candidates using accelerators. In this paper, we searched for dark photons using future electron-positron colliders, including Circular Electron Positron Collider (CEPC)/CEPC, Future Circular Collider (FCC-ee)/Innovative Detector for Electron-positron Accelerator (IDEA), and International Linear Collider (ILC)/International Large Detector (ILD). Using the parameterized response of the detector simulation of Delphes, we studied the sensitivity of a double dark photon mode at each accelerator/detector. The signal mode is double dark photon decay channel, e+e- → A'A', where A' (dark photon with spin 1) decaying into a muon pair. We used MadGraph5 to generate Monte Carlo (MC) events by means of a Simplified Model. We found the dark photon mass at which the cross-sections were the highest for each accelerator to obtain the maximum number of events. In this paper we show the expected number of dark photon signal events and the detector efficiency of each accelerator. The results of this study can facilitate in the dark photon search by future electron-positron accelerators.
Odyssey, one of the NASA's Mars exploration program and SELENE (Kaguya), a Japanese lunar orbiting spacecraft have a payload of Gamma-Ray Spectrometer (GRS) for analyzing radioactive chemical elements of the atmosphere and the surface. In these days, gamma-ray spectroscopy with a High-Purity Germanium (HPGe) detector has been widely used for the activity measurements of natural radionuclides contained in the soil of the Earth. The energy spectra obtained by the HPGe detectors have been generally analyzed by means of the Window Analysis (WA) method. In this method, activity concentrations are determined by using the net counts of energy window around individual peaks. Meanwhile, an alternative method, the so-called Full Spectrum Analysis (FSA) method uses count numbers not only from full-absorption peaks but from the contributions of Compton scattering due to gamma-rays. Consequently, while it takes a substantial time to obtain a statistically significant result in the WA method, the FSA method requires a much shorter time to reach the same level of the statistical significance. This study shows the validation results of FSA method. We have compared the concentration of radioactivity of $^{40}K$, $^{232}Th$ and $^{238}U$ in the soil measured by the WA method and the FSA method, respectively. The gamma-ray spectrum of reference materials (RGU and RGTh, KCl) and soil samples were measured by the 120% HPGe detector with cosmic muon veto detector. According to the comparison result of activity concentrations between the FSA and the WA, we could conclude that FSA method is validated against the WA method. This study implies that the FSA method can be used in a harsh measurement environment, such as the gamma-ray measurement in the Moon, in which the level of statistical significance is usually required in a much shorter data acquisition time than the WA method.
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.
M. Kang;Y. Jo;K. S. Lee;S. H. Kim;J.-W. Ko;K. Y. Lee;B. D. Park;J. Y. Sohn;C. S. Yoon;Y. G. Kim;K.-Y. Choi;J.-K. Woo
Journal of the Korean Physical Society
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제80권
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pp.1-12
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2022
Over the past few decades, tetrafluoroethane (TFE, R134a Freon)-based gases have been widely used in the operation of phenolic resistive plate chambers (RPCs) in many high-energy experiments. However, TFE has a high global warming potential (GWP); therefore, a search for new eco-friendly gases to replace traditional TFE-based ones is now unavoidable. In this research, we present cosmic-ray test results of a prototype RPC for the SHiP (search for hidden particles) experiment using 1.6- and 1.4-mm-thick RPC electrodes containing mixtures of various gases, including 1,3,3,3-tetrafluoropropene (HFO1234ze), CO2, iC4H10 and SF6. We compare the performance data gathered with these new gas mixtures with those gathered with a traditional TFE-based gas used for RPCs in compact muon solenoid (CMS) and a toroidal LHC apparatus (ATLAS) experiments. The addition of CO2 to the HFO1234ze-based gas was found to be fairly effective in reducing the working-point high voltage (HVWP) for RPC operation. The results of our experiments lead us to the conclusion that adding 40% CO2 or less, when combined with HFO1234ze-based gas, is conducive to reliable detector performance for SHiP single-gap phenolic RPCs.
The universe is thought to be filled with not only Standard Model (SM) matters but also dark matters. Dark matter is thought to play a major role in its construction. However, the identity of dark matter is as yet unknown, with various search methods from astrophysical observartion to particle collider experiments. Because of the cross-section that is a thousand times smaller than SM particles, dark matter research requires a large amount of data processing. Therefore, optimization and parallelization in High Performance Computing is required. Dark matter in hypothetical hidden sector is though to be connected to dark photons which carries forces similar to photons in electromagnetism. In the recent analysis, it was studied using the decays of a dark photon at collider experiments. Based on this, we studies double dark photon decays at lepton colliders. The signal channels are e+e- → A'A' and e+e- → A'A'γ where dark photon A' decays dimuon. These signal channels are based on the theory that dark photons only decay into heavily charged leptons, which can explain the muon magnetic momentum anomaly. We scanned the cross-section according to the dark photon mass in experiments. MadGraph5 was used to generate events based on a simplified model. Additionally, to get the maximum expected number of events for the double dark photon channel, the detector efficiency for several center of mass (CM) energy were studied using Delphes and MadAnalysis5 for performance comparison. The results of this study will contribute to the search for double dark photon channels at lepton colliders.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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