Muon tomography: application of image reconstruction algorithms within the LouMu project

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Main Author: Duarte, Magda Mendes
Publication Date: 2023
Format: Master thesis
Language: eng
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Download full: https://hdl.handle.net/1822/92659
Summary: Dissertação de mestrado em Engineering Physics, Devices, Microsystems and Nanotechnologies
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spelling Muon tomography: application of image reconstruction algorithms within the LouMu projectMuonTomographyMuographyImagiologyReconstructionMuãoTomografiaMuografiaImagiologiaReconstruçãoEngenharia e Tecnologia::Outras Engenharias e TecnologiasDissertação de mestrado em Engineering Physics, Devices, Microsystems and NanotechnologiesMuon tomography or muography is an imaging technique that allows non-invasive observation of the in terior of large and dense structures such as pyramids and volcanoes. Muography resorts to cosmic-ray muons, subproduct particles of the interaction of cosmic rays with the Earth’s atmosphere, and to muon telescopes, devices capable of detecting these particles and their trajectory. Depending on the use given to this instrument, the technique subdivides into scattering muography and transmission muography. The latter works similarly to radiography and outputs two-dimensional projections of the structures in the field of view of the muon telescope. To obtain their 3D image it is necessary to apply image reconstruction algorithms to the 2D projections. In 2019, LIP, the Laboratory of Instrumentation and Experimental Par ticle Physics, constructed a muon telescope and initiated the first transmission muography experiment in Portugal under the collaboration LouMu. As a starting point, the telescope acquired data at its con struction site, the Department of Physics of the University of Coimbra, and efforts are being made to use this same data to reconstruct three-dimensional images of the building. This dissertation arrives in that context, as the work presented here concerns how the 2D projections taken at the Department of Physics of the University of Coimbra were obtained and how they are being used to derive 3D reconstructions of the building while resorting to image reconstruction algorithms. Regarding the 2D results, it is explained how simulated and experimental images muography images were obtained. It is concluded that, although the two compare well on a coarse-grained scale, some disparities still need to be addressed in future analysis, namely to be able to perform 3D reconstruction. In that sense, the development and testing of image reconstruction algorithms to retrieve 3D images from the 2D projections was performed only in simulation. The applicability of two methods, the back-projection and the SART iterative algorithm, to the case study of the Department of Physics of the University of Coimbra was analyzed and a third algorithm, analytical inversion, is currently being developed and tested under the same conditions. Out of the first two approaches, only the iterative algorithm resulted in successful reconstructions while using the muon telescope of the LouMu collaboration.A tomografia muónica ou muografia é uma técnica de imagiologia que permite a observação não-invasiva do interior de estruturas de elevadas dimensões e densidades. A muografia recorre a muões cósmicos, partículas secundárias da interação de raios cósmicos com a atmosfera terrestre, e a telescópios de muões, dispositivos capazes de detetar estas partículas e a sua trajetória. Dependendo do uso dado a este intrumento, a técnica subdivide-se em muografia de scattering e muografia de transmissão. A segunda funciona de forma semelhante à radiografia e retorna projeções bidimensionais das estruturas no campo de visão do telescópio de muões. Para obter imagens 3D é necessário aplicar algoritmos de reconstrução de imagem às projeções 2D. Em 2029, o LIP, Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas, construiu um telescópio de muões e iniciou a primeira experiência de muografia de transmissão em Portugal sob a colaboração LouMu. Como ponto de partida, o telescópio adquiriu dados no seu local de construção, o Departamento de Física da Universidade de Coimbra, e estes têm sido analisados para obter images tridimensionais do edifício. Esta dissertaçao surge nesse contexto, sendo o trabalho aqui apresentado relativo ao modo como as projeções 2D do Departamento de Física da Universidade de Coimbra foram obtidas e ao modo como estas estão a ser utilizadas para derivar recontruções 3D do edifício recorrendo a algoritmos de reconstrução de imagem. Relativamente aos resultados 2D, é explicado como as imagens de muografia simuladas e experimentais foram obtidas. Conclui-se que, embora estas sejam compatíveis a um nível médio, existem disparidades que precisarão de ser abordadas em análises futuras, nomeadamente para ser possível efetuar reconstrução 3D. Nesse sentido, o desenvolvimento e avaliação de algoritmos de reconstrução de imagem para recuperação de imagens 3D a partir das projeções 2D foi efetuada somente em simulação. A aplicabilidade de dois métodos, a backprojection e o algoritmo iterativo SART, ao caso de estudo do Departamento de Física da Universidade de Coimbra foi analisada e um terceiro algoritmo, a inversão analítica, está atualmente a ser desenvolvido e testado sob as mesmas condições. Das primeiras duas abordagens, apenas o método iterativo resultou em reconstruções bem-sucedidas com o telescópio da colaboração LouMu.Castro, Nuno FilipePereira, Raul Cambraia Lopes SarmentoUniversidade do MinhoDuarte, Magda Mendes2023-12-052023-12-05T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/92659eng203609522info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2024-08-03T01:27:19Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/92659Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-28T18:46:44.898587Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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