11 MeV能损型质子照相空间分辨能力模拟

透射质子的能损和散射角是质子照相成像模糊的主要来源。基于Zumbro聚焦成像磁透镜的质子照相技术,可基本消除散射角引起的成像模糊,实现几十μm的空间分辨,但无法对能损信息进行优化是其空间分辨能力难以进一步提升的主要原因。为利用透射质子的能损信息,进一步提高质子照相的空间分辨能力,提出了一种新型的成像磁透镜,称之为能损型聚焦成像磁透镜。基于11 MeV低能能损型质子照相的实验束线和Geant4模拟软件,建立全过程照相模型,研究11 MeV能损型成像束线的空间分辨能力。模拟研究表明:对于10 μm厚的Al箔,考虑点扩散函数等测量系统成像模糊的影响,11 MeV能损型成像束线可实现约30 μm的空间分辨。与等大型Zumbro磁透镜相比,空间分辨能力得到显著提升。     

强流加速器基于空间限束的亚毫米焦斑产生技术研究

焦斑大小是评价加速器性能的关键指标之一,减小焦斑尺寸可以有效提高闪光照相中对客体成像的空间分辨能力。本文研究设计空间限束结构,减小加速器光源焦斑的有效尺寸降低成像几何模糊。采用蒙特卡罗方法对电子束打靶产生轫致辐射和光子穿过空间限束结构的成像过程进行模拟,分析采用不同空间限束结构时光源有效焦斑的分布及大小、光子角度分布和能谱分布等特征参数。理论计算结果表明,通过空间限束可以使强流加速器光源焦斑FWHM减小至亚毫米量级。     

高能闪光照相密度测量的LEPM方法

研究了利用高能闪光照相方法实现密度分布测量的技术.根据闪光照相投影成像原理,将成像过程中的非线性成像因素看成一个综合性的非线性算子,利用先验测量的方法该非线性算子的响应曲线,利用该曲线校正成像图像得到待测客体的光程分布图像.采用以最小误差为重建准则的代数重建法,从光程分布图像中重建出照相客体的线吸收系数分布.最后利用相对等效质量吸收系数以及客体总质量不变的约束条件,获得照相客体的空间密度分布.在高能闪光照相实验平台上进行了静态客体的密度测量实验,测量的均方根误差约为10％.     

高能闪光照相密度测量的LEPM方法

研究了利用高能闪光照相方法实现密度分布测量的技术.根据闪光照相投影成像原理,将成像过程中的非线性成像因素看成一个综合性的非线性算子,利用先验测量的方法该非线性算子的响应曲线,利用该曲线校正成像图像得到待测客体的光程分布图像.采用以最小误差为重建准则的代数重建法,从光程分布图像中重建出照相客体的线吸收系数分布.最后利用相对等效质量吸收系数以及客体总质量不变的约束条件,获得照相客体的空间密度分布.在高能闪光照相实验平台上进行了静态客体的密度测量实验,测量的均方根误差约为10%.     

考虑磁透镜边缘场的质子成像系统优化设计

高能质子照相系统由四极磁透镜和准直器组成,实际透镜的边缘场将影响成像系统的性能.本文将含边缘场的磁场梯度用贝尔函数近似,提出了一种含边缘场的成像系统优化方法.通过Geant 4程序模拟了能量为1.6 GeV的质子成像系统,并通过优化方法给出了考虑边缘场的优化后的系统参数.研究了考虑边缘场时的成像系统参数对准直器孔径的影响.通过对比理想成像系统和优化前后的成像系统在使用准直器时的客体通量分布,研究了边缘场对质子通过客体的通量影响.结果表明,优化后的成像系统可以减小质子通过客体后的通量误差,并且积分差值在10^–2量级时,准直器的孔径参数变化亦在10^–2量级.     

由边界退化确定模糊尺寸

在高能闪光照相流体动力学实验中,模糊问题严重影响诊断结果的精度。模糊图像的边界检测结果与真实边界之间往往存在位置偏移,称为边界退化量。在照相布局和客体确定的条件下,模糊尺寸越大,边界退化量越大。利用边界退化量与模糊尺寸的这一关系,提出一种从边界检测中测量系统模糊尺寸的新想法,从闪光照相成像物理过程角度阐释了方法的原理,然后通过数值实验分析了方法的处理过程,建议测量实验利用倒锥准直器对球形客体成像。模拟结果表明:采用该方法模糊函数的FWHM误差小于1个像素。最后借助数值模拟对台阶客体照相实现了对模糊尺寸测量结果的验证。     

基于全变分正则化的高能闪光照相消模糊图像重建算法

 针对高能闪光照相投影图像消模糊难度大的问题,提出了一种基于全变分正则化的消模糊图像重建算法,该算法根据闪光照相的成像特点,将客体的纵向截面作为一个整体来进行建模,并在重建方程中考虑了模糊因素,然后采用全变分范数作为正则项,构建了用于消模糊图像重建的展平泛函,将消模糊图像重建问题转化为能量泛函极小化问题,通过固定点迭代算法求解图像重建问题的最小化解。数值模拟结果表明：该算法由于考虑了闪光照相成像时的图像模糊因素,在重建时能够较好地消除模糊对重建结果的影响,在抑制噪声的同时能较好地保持图像的边缘信息,有利于提高重建图像的质量。     

电子照相技术成像模拟研究

针对高能电子照相的关键物理过程开展蒙特卡罗照相模拟研究,采用Geant4围绕2.5 GeV电子在四极透镜组内的输运、电子与物质相互作用衰减等照相基本过程展开研究。通过设计不同材料、不同厚度的含缺陷平板作为模拟照相客体,开展放大型电子照相系统缺陷分辨能力模拟。此外,采用不同材料、不同厚度的台阶样品,模拟获得了电子束流穿过相应面密度材料后的线扩展函数,进一步评估电子照相对实心客体的探测分辨能力。     

激光-近临界等离子体高能高亮度X射线的产生

基于激光驱动超热电子产生的高品质X射线源是高能量密度实验中有效的诊断技术手段,对辐射源亮度、穿透性和时空分辨率等特性具有极高的要求。结合粒子模拟和蒙特卡罗模拟研究,首先利用近临界密度等离子体实现了激光自聚焦通道中的大电量高能电子加速,通过直接加速机制产生了电量超过600 nC、有效温度可达15 MeV的高能电子;以此为基础提高电子-光子能量转换率,有效优化了光子能量和产额,并通过一定的转换靶参数优化方案产生了微焦点(FWHM小于200 m)、高能、高亮度X射线,为高空间分辨(小于200 m)成像诊断提供了很好的途径,有望早日实现激光等离子体轫致辐射单脉冲瞬态照相的实际应用。     

高能X光照相中密度重建的共轭梯度算法

通过对高能X光照相过程的物理分析,得到了辐射照相的点扩展函数,给出了估价函数的表达式.并以典型的法国试验客体模型为例,将共轭梯度算法应用到高能X光照相的密度重建中,得到了较满意的结果.这种方法从模拟辐射照相过程出发,将辐射照相的模拟结果与实际测量结果做比较并找出最大可能解.可在一定程度上克服其它密度重建算法通过反卷积过程消除模糊效应所引起的不确定性.     

An accelerator scenario for a hard X-ray free electron laser combined with high energy electron radiography

In order to study the dynamic response of the material and the physical mechanism of fluid dynamics,an accelerator scenario which can be applied to both hard X-ray free electron laser and high energy electron radiography is proposed.This accelerator is mainly composed of a 12 GeV linac,an undulator branch and an eRad beamline.In order to characterize a sample's dynamic behavior in situ and real-time with XFEL and eRad simultaneously,the linac should be capable of accelerating the two kinds of beam within the same operation mode.Combining in-vacuum and tapering techniques,the undulator branch can produce more than 1011 photons per pulse in 0.1%bandwidth at42 keV.Finally,an eRad amplifying beamline with 1:10 ratio is proposed as an important complementary tool for the wider view field and density identification ability.     

Imaging beamline for high energy proton radiography

Proton radiography is a new tool for advanced hydrotesting. This article will discuss the basic concept of proton radiography first, especially the magnetic lens system. Then a scenario of 50 GeV imaging beamline will be described in every particular, including the matching section, Zumbro lens system and imaging system. The simulation result shows that the scenario of imaging beamline performs well, and the influence of secondary particles can be neglected.     

高能电子成像暗场成像技术特性研究及改进方案

基于EGS5与PARMELA模拟软件组成的高能电子成像系统,对暗场成像的模拟研究发现,通过调节光阑位置实现的暗场成像结果存在失真现象。针对该失真现象提出的改进方案,消除了暗场成像结果的失真。通过对40 MeV电子透射7~224 μm的铝样品开展的成像模拟结果表明:40 MeV高能电子暗场成像技术在铝样品厚度小于25 μm情况下具有明显的面密度分辨优势,且空间分辨率达到μm量级,非常适用于高能量密度物质诊断。     

Areal density and spatial resolution of high energy electron radiography

Ultrafast imaging tools are of great importance for determining the dynamic density distribution in high energy density(HED) matter. In this work, we designed a high energy electron radiography(HEER) system based on a linear electron accelerator to evaluate its capability for imaging HED matter. 40 MeV electron beams were used to image an aluminum target to study the density resolution and spatial resolution of HEER. The results demonstrate a spatial resolution of tens of micrometers. The interaction of the beams with the target and the beam transport of the transmitted electrons are further simulated with EGS5 and PARMELA codes, with the results showing good agreement with the experimental resolution.Furthermore, the experiment can be improved by adding an aperture at the Fourier plane.     

激光高能X射线成像中探测器表征与电子影响研究

基于激光尾场加速电子的高能X射线源具有高光子能量与小源尺寸的特点,在高空间分辨无损检测方面发挥着十分重要的作用.在X光机上测量了CsI针状闪烁屏、锗酸铋(BGO)闪烁阵列与DRZ闪烁屏的本征空间分辨率,并模拟了三类探测器对高能X射线的能量沉积响应,其中CsI针状闪烁屏的空间分辨率高达8.7 lp/mm.采用Ta转换靶产生的高能X射线开展透视照相,能够分辨最高面密度33.0 g/cm~2的两层客体结构.开展了X射线照相、X射线与电子混合照相以及电子照相三种情况的比对实验,在X射线产额不足或探测效率不够情况下采用X射线与电子混合透视照相的方案,以牺牲对比度为代价,能较大程度地提高图像信号强度.     

针孔法测量X光源焦斑尺寸

通过针孔成像法得到X光源强度空间分布图像,直接读取图像数据得到X光源的半高宽焦斑（FWHM）尺寸,对图像数据进行傅里叶变换得到调制传递函数,并计算得到X光源的等效焦斑尺寸（50%MTF）。应用针孔成像法测量多脉冲电子直线感应加速器产生的X光源焦斑尺寸,测量结果表明,加速器性能稳定。定义焦斑形状因子参数并用于描述X光源分布,结果表明,该加速器X光源分布在高斯分布和本涅特分布之间变化。     

含散射闪光照相系统的布局优化

为了提高现有照相系统的图像品质,对使用CCD探测器的法国客体(FTO)照相布局进行了优化,获得最佳图像品质因子下的照相布局。研究结果为:在模糊实验测量结果和高斯分布近似下,系统放大倍率为2.0;后保护器件距离客体50 cm;系统布局总长与探测系统的噪声相关,噪声越大,布局总长越短,最优布局总长的范围为3~5 m;实验验证了这一结果。     

质子照相磁透镜的优化设计

 对质子照相系统中Zumbro磁透镜的参数进行了优化,使成像系统造成的图像模糊最小化,结果表明:构成Zumbro磁透镜的四极透镜对内外漂移段长度相等时,成像系统获得最小的图像模糊。对成像系统的视场进行了分析,表明视场对Zumbro透镜的参数不敏感。给出了质子能量为20 GeV时Zumbro透镜的参数,Geant4蒙特卡罗计算表明:所给的Zumbro透镜参数能正确成像。