快速高能质子照相程序QMCPrad的研制

为了快速模拟高能质子照相过程,利用蒙特卡罗（MC）技术和技巧编写了程序QMCPrad,并开展了QMCPrad与MCNPX的对比计算以及实验E955的模拟验证工作。在模型选取中,修改核反应过程权重的隐式俘获模式和一次抽样模拟穿透客体的多次库仑散射的浓缩历史方式都节约了大量的计算时间。与MCNPX相比,QMCPrad具备模拟质子在磁透镜中输运过程的能力。QMCPrad与MCNPX、实验E955的对比及验证结果表明,QMCPrad能够准确定量地模拟高能质子照相,为质子照相实验设计提供工具。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

激光质子照相特性模拟研究

基于超短激光驱动的质子源的照相技术是传统质子照相技术的发展. 使用FLUKA蒙特卡罗（MC）程序,依据激光质子源的特点,对质子照相进行了定量的模拟研究. 通过对三种典型情况的模拟 （半平面靶及台阶靶,激光惯性约束聚变研究用黑腔,磁场网格照相） 分析了影响质子照相的主要物理因素, 表明了激光质子照相具有对界面敏感,高空间分辨,对磁场敏感的优点. 关键词： 超短激光 质子照相 蒙特卡罗     

激光加速质子束对电磁孤立子的照相模拟研究

激光在次稠密等离子中传输, 由于频率下移而被俘获, 从而产生电磁孤立子. 根据先前理论及PIC 模拟给出的孤立子的演化过程, 对不同阶段孤立子的电磁场分布进行了建模. 使用Geant4蒙特卡罗程序, 模拟研究了激光加速产生的能量为几个MeV的质子束对后孤立子的照相. 分析了质子能量, 质子源尺寸等因素对照相结果的影响, 并利用了TNSA加速产生质子束的分幅特性, 开展了时间分辨的孤立子照相模拟研究. 模拟给出的质子照相结果验证了文献中给出的孤立子静电场模型, 为以后在实验上探测孤立子提供了理论依据. 关键词： 超短激光 质子照相 孤立子 蒙特卡罗方法     

高能质子照相的成像方程

与X射线闪光照相相比,GeV级质子照相因质子的穿透能力更强而更能满足流体动力学最佳光程、更小不确定度的要求。质子照相用于提取阴影客体信息的过程比X射线闪光照相复杂。为了便于分析质子照相过程及其特性,以质子照相的输运过程为基础,逐步考虑了质子与物质相互作用的各种过程——核反应、多次库仑散射、准弹性散射和弹性散射,并获得含各种过程的质子照相理论计算表达式。在含准直的系统中,理论计算公式中包含了多次弹性散射和准弹性散射项。通过与QMCPrad计算结果的对比得知弹性散射高斯近似下的理论计算结果与蒙特卡罗方法(MC)计算结果一致,与更准确的"黑体"模型的相对误差为3%~5%。这意味着在某种程序上,当研究质子照相规律或设计系统时,高能质子照相的理论计算公式能够替代MC模拟。     

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。     

质子照相中基于能量损失的密度重建

提出了一种质子能量在中高能时利用能量损失进行密度重建的方法,并利用Bethe-Bolch公式给出了利用能量损失进行密度重建的方程及条件.针对1.6 GeV的质子能量,通过定量计算常见材料的阻止本领,得出质子能量在1.45–1.6 GeV范围内时,材料的阻止本领的变化率小于1%,可近似为常数.最后,通过理论计算和Geant 4模拟,得出质子能量在1.6 GeV时,可以对面密度为113 g/cm²的缩比法国实验客体进行密度重建.     

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。     

Multi-MeV proton source investigations in ultraintense laser-foil interactions

A study of the properties of multi-MeV proton emission from thin foils following ultraintense laser irradiation has been carried out. It has been shown that the protons are emitted, in a quasilaminar fashion, from a region of transverse size of the order of 100-200 microm. The imaging properties of the proton source are equivalent to those of a much smaller source located several hundred microm in front of the foil. This finding has been obtained by analyzing proton radiographs of periodically structured test objects, and is corroborated by observations of proton emission from laser-heated thick targets.     

质子初始位置对激光平面靶相互作用加速质子的影响(英)

为了更细致地理解鞘场质子加速机制,应用2维数值模拟程序Flips2D研究了质子的初始位置对加速以后质子束特性的影响。数值模拟结果表明:质子的初始位置对质子束特性的影响非常明显。质子的出射角与其在横向的初始位置有关,初始位置离激光轴越远,其出射角越大。     

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.