Kozmik müonların kullanımı ilkesine dayalı tomografik görüntüleme sistemi prototipinin tasarımı ve benzetim çalışmaları

Kozmik müonlar ışık hızına yakın hızlarla haraket eden nispeten uzun ömürlü doğal radyasyon kaynaklarıdır. Daha büyük kütleleri nedeniyle malzeme ile zayıf bir şekilde etkileşirler ve X-ışınları veya gama radyasyonundan daha uzun mesafe katederler. Bu özellikleri nedeniyle kozmik müonlar tomografik görüntüleme için mükemmel bir adaydır. Müon tomografisi ile ilgili temel özelliklerden biri, kozmik müonların kullanılmasına dayanan tomografik görüntüleme tekniğidir ve dünyadaki çeşitli araştırma laboratuvarları tarafından araştırılmaktadır. Müon tomografi görüntüleme tekniği nükleer reaktör ve nükleer atıkların görüntülenmesi hem de ulusal güvenlik için uluslar arası sınır geçitlerinde kargo konteynerlerinde saklanmış yüksek-Z malzemenin olup olmadığının tespit edilmesi gibi çeşitli alanlarda uygulanmaktadır. Kozmik müon saçılma tomografisinde yaygın olarak kullanılan ve iyi bilinen iki görüntüleme algoritması vardır. Los Alamos Ulusal Laboratuvarı(LANL) grubu tarafından geliştirilen En Yakın Yaklaşım Noktası(POCA) algoritması ve Olasılık Maksimizasyonu-En Çok Olabilirlik (EM-ML) algoritmasıdır. POCA algoritması dedektör sistemine gelen ve dedektör sisteminden çıkan kozmik müon izlerinden oluşan düz çizginin en yakın geometrik noktasını, başka bir deyişle POCA noktasını arayan basit bir geometrik algoritmadır. Basit bir geometrik algoritma olması ile birlikte POCA algoritması üç boyutlu uzayda tek düzlemde tek noktada kesişmediği ve örnek hacimin dışında POCA noktalarının ortaya çıkabileceği gibi dezavantajları vardır hem de POCA metodu kullanıldığında hesaplama hatası olarak çok daha fazla "arka plan" saçılma noktaları vardır. Daha iyi bir sonuç veren EM-ML algoritması ise iterasyon metodu kullanarak tomografik görüntü elde eden bir istatistiksel algoritmasıdır. EM-ML yönteminin uygulanması daha zordur ve hesaplama zamanının uzun olması nedeniyle gerçek zamanlı görüntüleme uygulamalarında kullanılamaz. Genel olarak, POCA ve EM-ML gibi görüntüleme algoritmalarında hedeflenmiş hacmin vokisellere ayrıldığı, standart iterasyon yöntemi nedeni ile göreceli olarak uzun hesaplama zamanı gerektirir. Bu nedenle, bu algoritmalar genellikle gerçek zamanda çalışmaz ve ulusal güvenlik amacı için çok yavaş olma eğilimindedir. Bununla birlikte arka plan saçılmasından zarar görmeyen Z daha düşük materyaller için özellikle bulanık görüntü ortaya çıkar. Bu çalışmada, POCA metoduna nazaran daha küçük bir hata payı ile uygulanması çok kolay ve daha hızlı sonuç veren basit bir tomografik görüntüleme algoritmasının geliştirilmesi ve algoritmanın Geant4 benzetim paketinde uygulanması ile birlikte benzetim sonuçları rapor edilmiştir.