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。     

高能电子照相成像模糊模拟研究

高能电子照相是一种新兴的无损探测技术,可以在不拆解客体的情况下对客体材料及其内部结构进行定量测量。与高能质子照相相比,其分辨能力更高,可达到亚m量级,有望成为介观现象诊断的有力工具。为研究相互作用和成像束线对成像模糊度的影响,采用Geant4模拟软件,建立12 GeV电子束从客体到像平面全过程照相模型,主要分析了成像束线引起的色差模糊、客体纵向长度引起的模糊以及次级粒子造成的模糊。研究结果表明,高能电子照相成像模糊为亚m量级,其中成像束线引起的色差模糊为主要贡献项,次级粒子和客体纵向长度引起的模糊可以忽略。     

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。     

质子照相中成像磁透镜系统对次级质子的消除

 为了解成像磁透镜系统使用对提高质子照相品质的作用,研究了成像磁透镜系统对核反应产生的次级质子的消除作用。利用MCNPX模拟了次级质子的能谱,结果表明：次级质子的平均能量不足照相质子束的50%。从次级质子的能量特性和成像系统质子运动学方面的分析表明：成像磁透镜系统可消除次级质子的影响。利用程序MCNPX对含成像磁透镜系统的质子照相进行了模拟,结果显示：成像磁透镜系统将次级质子对光程的影响减小到2%以下,显著提高了图像品质。     

用于ICF内爆诊断的质子成像磁透镜理论设计

根据加速器束流输运线设计的比例定律,设计了适用于ICF内爆DD反应产生的3.6 MeV准单能质子束成像的磁透镜系统。通过公式推导以及束流动力学追踪模拟,获得了类似于几何光学成像中的物像关系,并使用三维粒子追踪模拟验证了磁透镜成像的物像关系。物像关系的满足,使得可以对磁透镜系统进行封装,然后根据物像关系, 选择不同的物距以及相应的相距, 就可以对物体成不同大小的像。     

神光Ⅱ升级装置激光加速质子照相初步实验研究

在神光Ⅱ升级装置上开展了首轮激光加速质子对间接驱动快点火靶内爆过程的照相实验研究。通过激光与靶参数的优化,获得了能量高于18 MeV的质子束。通过静态客体的照相,获得了优于20 m的高空间分辨网格图像,为开展时间分辨的啁啾质子照相奠定了基础。开展了质子动态照相实验,获得了内爆压缩晚期的质子照相图像。实验发现内爆区域质子照相图像存在大量排空现象。内爆压缩区域不足以阻挡如此大范围质子束,证明了其中存在电磁场使得质子向外排开。动态照相的质子能量较低,分析是ns激光打靶过程产生的X射线及等离子体对质子加速存在影响。后续实验中需要进一步优化靶的屏蔽设计。     

基于D3He反应产生的单能质子对ICF内爆过程的照相模拟研究

 为实现单能质子对惯性约束聚变(ICF)内爆过程的诊断,使用FLUKA蒙特卡罗程序模拟分析了影响质子对内爆过程诊断的因素。通过设置不同初始质子数目,来分析质子产额对小球图像质量的影响,结果发现,要得到清晰图像,需要10⁹的质子数。参照实验中常用的靶参数,模拟了直接驱动和间接驱动条件下的照相情况,分析了间接驱动情况下,金属腔对质子束的散射会造成内爆小球图像模糊,说明质子照相不适合间接驱动内爆。给出了一种时间分辨的质子照相方法,通过调整质子产生和内爆产生的时间差,实现了对内爆过程前后不同时刻的照相等。模拟表明,D³He反应产生的14.7 MeV的准单能质子具有的脉宽短、尺寸小的优点,可用于ICF内爆过程的动态照相。     

质子照相中容器引起的模糊

 为了弄清质子照相中容器引起模糊的大小,以质子与吸收体的多次库仑相互作用为基础,结合负幺阵成像磁透镜系统的特性,推导出了容器模糊的半高全宽表达式。研究表明:容器的模糊半高全宽与容器至客体的距离成正比,与容器厚度的均方根成正比,与质子的动量成反比;容器的前后壁都对模糊有贡献;相同条件下,计算得到Al制容器的模糊小于Fe制容器的模糊;半径200 cm、厚5 cm的Al制容器的模糊为1.30 mm,大于客体的模糊,同时蒙特卡罗程序的模拟也得到了相同的结果。     

高能质子照相中面密度的测量和不确定性分析

 依据洛斯·阿拉莫斯国家实验室的质子照相概念，通过研究高能质子与物质的相互作用规律，给出了质子照相确定面密度的计算公式及其不确定性分析，阐述了质子照相鉴别材料组分的原理。相对于X光照相，质子通过面密度较大的物体后的通量明显增加，界面探测和密度重建更加准确。研究了多库仑散射和磁透镜系统的色散对质子照相空间分辨率的影响及解决途径。结果表明，高能质子照相在穿透能力、面密度测量、材料的组分识别、空间分辨率等方面都优于X光照相。     

时间展宽X射线分幅相机空间分辨特性

利用Monte Carlo方法、有限元法和有限差分法建立了时间展宽X射线分幅相机的理论模型,对相机静态空间分辨特性进行了理论研究。当光电阴极的电压为-3kV,采用三个磁透镜,成像倍率为2:1时,相机的静态空间分辨率优于110μm.研究了空间分辨率与发射位置、阴极电压、磁聚焦透镜数量的关系.模拟结果表明,发射位置离中心越近,阴极电压越高,磁聚焦透镜个数越多,空间分辨率越好.此外,平面的光电阴极经磁聚焦透镜成像后,像面不是一个平面而是一个曲面.     

中子散射成像探测角分辨研究

中子散射成像技术是近年来国外正在发展的一项新型辐射成像技术, 在深空宇宙探测、核材料监控等方面具有广阔的应用前景. 角分辨是衡量该技术成像能力的一项重要参数. 研究了位置不确定度和能量分辨对角分辨的影响. 理论分析表明: 以不同角度散射, 成像的角分辨不同; 位置不确定不仅直接影响角分辨, 还通过影响能量不确定度对角分辨间接贡献; 位置分辨主要来源于探测器的结构尺寸, 当探测器尺寸小于5 cm, 影响角分辨的主要来源是能量不确定度. 利用所获得的理论结果指导设计了原理探测系统, 并对设计的原理系统开展了初步实验研究. 结果表明, 分析结果与实验得到的角分辨参数基本一致.     

Decisive factors for realizing atomic-column resolution using STEM and EELS

We demonstrate atomic-column imaging by scanning transmission electron microscopy (STEM) and electron energy-loss spectroscopy (EELS). The silicon atomic-columns of a β-Si₃N₄ (0 0 1) specimen are clearly resolved. The atomic-site dependence and the energy-loss dependence of the spatial resolution are elucidated on the basis of the experimental results and multislice calculations. We describe two decisive factors for realizing atomic-column imaging in terms of localization in elastic and inelastic scattering. One is the channeling of the incident probe due to dynamical diffraction, which has atomic-site dependence. The other is the localization in inelastic scattering; in addition to the energy-loss dependence of delocalization, we point out its dependence on the offset energy from the ionization energy, i.e., an additional localization factor concerning the Bethe surface. The present atomic-column observation of the Si-L core-loss image indicates that the local approximation, which can be interpreted intuitively, is achievable under appropriate experimental conditions, such as high-energy-loss, a small convergence angle and a large collection angle (e.g., 400 eV, 15 and 30 mrad, respectively).     

高分辨率长焦广角低畸变光学成像系统设计

鉴于全视角高精度三维测量仪中现有光学成像系统无法同时满足大视角、高分辨率和低畸变等技术指标,为此设计了一种能够同时克服上述缺陷的光学成像和畸变校正系统。采用复杂化双高斯结构形式进行f-θ镜头设计,引入非球面提高系统成像质量。实验结果表明,设计的光学系统为长焦广角低畸变高分辨率光学系统,在环境温度-10 ℃~70 ℃下,视场角达到90°,畸变小于-0.001 67%,传递函数达到0.4@100 lp/mm,可实现工作距离3 m~100 m成像清晰。同时,光学系统中非球面镜片的面型精度会对成像质量产生很大的影响,根据公差分析,非球面的面型精度PV值小于0.17 μm时系统成像质量满足要求,实际加工过程中非球面面型PV值达到0.158 μm,传递函数达到设计指标要求,提高了系统的成像质量。     

Decisive factors for realizing atomic-column resolution using STEM and EELS

We demonstrate atomic-column imaging by scanning transmission electron microscopy (STEM) and electron energy-loss spectroscopy (EELS). The silicon atomic-columns of a beta-Si3N4 (0 0 1) specimen are clearly resolved. The atomic-site dependence and the energy-loss dependence of the spatial resolution are elucidated on the basis of the experimental results and multislice calculations. We describe two decisive factors for realizing atomic-column imaging in terms of localization in elastic and inelastic scattering. One is the channeling of the incident probe due to dynamical diffraction, which has atomic-site dependence. The other is the localization in inelastic scattering; in addition to the energy-loss dependence of delocalization, we point out its dependence on the offset energy from the ionization energy, i.e., an additional localization factor concerning the Bethe surface. The present atomic-column observation of the Si-L core-loss image indicates that the local approximation, which can be interpreted intuitively, is achievable under appropriate experimental conditions, such as high-energy-loss, a small convergence angle and a large collection angle (e.g., 400 eV, 15 and 30 mrad, respectively).     

基于声光可调谐滤光器的显微光谱成像技术

为了解决传统声光可调谐滤光器(AOTF)成像模糊的缺点,设计了一种新的AOTF。该器件通过在传统的AOTF的出射孔后面放置一个自行设计的等边色散棱镜来实现对衍射光的色散展宽进行补偿,明显地提高了成像的对比度和空间分辨率。将此器件附加在传统光学显微镜上,获得了一种新型的光谱显微成像仪器。其光谱分辨率在575nm波长处为4.2nm、成像空间分辨率为2μm、图像采集速度为毫秒量级。为基于AOTF的光谱成像技术在生物医学等领域的更广泛的应用奠定了基础。     

X射线菲涅耳波带板成像和投影式相衬成像的数值模拟比较

通过解析分析和数值模拟,比较了钛K线（4.5 keV）与铜K线（8.0 keV）等X射线源背光透视物体情况下,菲涅耳波带板直接成像与投影式相衬成像对被透视物体的空间分辨能力。结果表明,波带板成像可实现优于1 m的高空间分辨能力,而且使用较大尺度背光源更有利于成像。对于高透射或弱吸收的透视物体,波带板难以成像,可采用投影式相衬成像实现m级空间分辨。计入了以前文献没有考虑到的更高阶影响后,解析给出了点光源照射下相衬像的强度分布与对比度。模拟了微焦点X射线源照射存在厚度起伏的薄膜靶以及密度空间调制靶的相衬成像,点光源情况下模拟结果和解析结果相符。讨论了光源大小、成像距离等参数对相衬成像对比度和空间分辨能力的影响,结果表明,通过减小光源尺度和调节物体到探测面的距离,空间分辨能力可优化到1～4 m。     

液晶自适应光学视网膜校正成像技术研究

为了实现对人眼视网膜的高分辨率成像,解决偏振能量损失、成像视场小和普适性差等问题,对液晶自适应光学技术及其在人眼视网膜成像中的应用进行了研究。通过开环光路的设计方案,避免了闭环液晶自适应系统的偏振光能量损失;在光路中加入可变视场光阑,利用小视场照明进行波前探测、大视场照明进行像差校正和成像的方法扩大了成像视场;使用脉冲光照明的方案减小曝光量;通过偏振光照明提高能量利用率、等效无穷远视标配合补偿镜以及改进后的视标提高盯视稳定性等一系列方法,提高系统普适性。校正后成像的清晰度和对比度获得了明显提高;高分辨率眼底成像视场直径从200 μm扩大到500 μm;曝光量减小到原来的1/2~1/3;对前期难以获得清晰成像的样本,取得了效果良好的视网膜视觉细胞自适应图像。