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。     

FTO质子照相中扩束器的设计

 为了达到最佳的扩束效果和充分利用束流,从多次库仑散射角、能量损失和透射率这三个方面确定扩束器的材料类型。对均方根多次库仑散射(MCS)、质子能量损失和质子的透过率的研究都表明单位面质量下材料原子序数越大,扩束效果越好。再结合成本和适用性确定扩束器的材料为钨。同时,从探测器接收到的质子通量均匀而噪声影响小的角度,确定了扩束器的厚度。研究结果为：没有准直器的情形下,扩束器的厚度为3.1 cm;准直器角度为3.0 mrad时,扩束器厚度为2.4 cm。     

FTO质子照相中扩束器的设计

为了达到最佳的扩束效果和充分利用束流,从多次库仑散射角、能量损失和透射率这三个方面确定扩束器的材料类型。对均方根多次库仑散射(MCS)、质子能量损失和质子的透过率的研究都表明单位面质量下材料原子序数越大,扩束效果越好。再结合成本和适用性确定扩束器的材料为钨。同时,从探测器接收到的质子通量均匀而噪声影响小的角度,确定了扩束器的厚度。研究结果为：没有准直器的情形下,扩束器的厚度为3.1 cm;准直器角度为3.0 mrad时,扩束器厚度为2.4 cm。     

高能质子照相中基于角度准直器设计的理论研究

角度准直器在高能质子照相中有着重要作用,既可以利用准直器提高图像对比度,又能通过二次成像实现材料诊断及密度重建,因此减小通过准直器后通量值的误差具有重要意义.本文通过理论分析,提出了一种高能质子照相中准直器设计的方法,通过Geant4程序建立了1.6 GeV的质子成像系统,该系统分别使用理想准直器、拉伸型准直器和利用该方法设计的准直器,并对比通过客体后的通量分布.结果表明,在使用理想准直器和该方法设计的角度准直器时,二者得到的客体的通量分布符合较好,而使用拉伸型准直器时,与使用理想准直器得到的结果相差较大.因此利用理想准直器方法设计的准直器可以很好地减小通量误差.     

高能质子照相的研究进展

高能闪光照相是诊断致密物质内部几何结构和物理特性的最有效技术.高能质子照相在穿透能力、材料识别、空间分辨率等方面都优于X射线照相,已经成为美国先进流体动力学试验装置的优先发展对象.文章详细介绍了高能质子照相方案及其研究进展.     

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。     

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。     

闪光照相中校正准直器的研究

用闪光照相技术诊断内爆动力学实验时，存在着一些难以克服的困难：动态量程约为10^4，散射过强而将信号光束淹没。FTO客体边缘部分是形成客体散射的主要部分，也是动态量程大的主要原因。使用校正准直器具有一举两得的效果：既降低动态量程，又减小客体的散射。后保护器件和客体边缘部分是散射的主要来源。校正准直器的使用，使得入射到后保护器件的直接X射线和散射X射线都减少，有效地降低后保护器件的散射。     

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...     

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。     

Optimum angle-cut of collimator for dense objects in high-energy proton radiography

The use of minus identity lenses with an angle-cut collimator can achieve high contrast images in highenergy proton radiography.This article presents the principles of choosing the angle-cut aperture of the collimator for different energies and objects.Numerical simulation using the Monte Carlo code Geant4 has been implemented to investigate the entire radiography for the French test object.The optimum angle-cut apertures of the collimators are also obtained for different energies.     

用于闪光照相的准直器设计及性能

为了实现高度准直同时较好地保留飞层界面信息,针对高能闪光照相实验中常用的准直技术,改进了设计方法,以法国实验客体（FTO）为例,利用蒙特卡罗程序对光子电子耦合输运过程进行数值模拟实验,验证了所提出的准直器的性能,对采用该准直器技术下的模拟照相结果进行了准直器光程扣除方法研究,结果表明：改进的准直器将客体芯部区域的散射照射量降低99.8%,接收平面处的客体信号动态范围降低99.7%,同时在图像中完整地保留了客体外界面信息;对准直器轴向分层照相的方法可以获得误差小于0.1的客体光程。     

Control of the charge and energy of the proton beams from a laser-driven double-layer target

Control of the proton beam charge and energy in a laser-driven double-layer target was numerically investigated. Generally the proton beam charge is determined by the areal density σ = nl of the second layer, while the accelerating field is governed by the substrate thickness L. From a series of one-dimensional particle-in-cell simulations over a broad range of σ and L, it was confirmed that those two control parameters do not interfere significantly, indicating the beam charge and energy can be separately controlled. We suggest self-assembly monolayers technique be used for the fabrication of the areal density of the second layer.     

Effects of rapid thermal annealing on the optical properties of InAs/(In)GaAs quantum dots with different areal density

The effects of rapid thermal annealing on the optical properties of InAs/(In)GaAs quantum dots (QDs) with different areal density were investigated by photoluminescence (PL) measurement. The annealing results in PL peak energy blue-shift which strongly depends on QD areal density and capping layer. It is noticeable that low-density QDs and/or InGaAs-capped QDs are more sensitive to the annealing. We attribute the larger energy blue-shift from these samples to enhanced strain-driven diffusion and/or defect-assisted diffusion.     

Benchmark measurements and simulations of dose perturbations due to metallic spheres in proton beams

Monte Carlo simulations are increasingly used for dose calculations in proton therapy due to its inherent accuracy. However, dosimetric deviations have been found using Monte Carlo code when high density materials are present in the proton beamline. The purpose of this work was to quantify the magnitude of dose perturbation caused by metal objects. We did this by comparing measurements and Monte Carlo predictions of dose perturbations caused by the presence of small metal spheres in several clinical proton therapy beams as functions of proton beam range and drift space. Monte Carlo codes MCNPX, GEANT4 and Fast Dose Calculator (FDC) were used. Generally good agreement was found between measurements and Monte Carlo predictions, with the average difference within 5% and maximum difference within 17%. The modification of multiple Coulomb scattering model in MCNPX code yielded improvement in accuracy and provided the best overall agreement with measurements. Our results confirmed that Monte Carlo codes are well suited for predicting multiple Coulomb scattering in proton therapy beams when short drift spaces are involved.     

针对高压物质密度诊断的激光X射线照相优化设计

激光驱动冲击波能提供高压的物质状态, 是状态方程研究的重要工具. 超短超强激光与固体靶相互作用产生的X射线源, 具有短脉冲、微焦点、高产额、能量可调的特点, 是高压物质密度测量的首选背光源. 本文基于蒙特卡罗程序Geant4建立了X射线照相模型, 客体密度分布由流体力学程序Multi-1D模拟激光冲击加载高压物质获得. 在一维长方体形密度客体情况下, 定义了均方根、峰值偏差与上升沿斜率比三种指标, 对照相图像求解的密度结果进行评价, 开展了照相结果信噪比、分辨率与对比度等参数优化. 并开展了一维圆柱形密度客体的照相模拟, 建立了基于Radon逆变换法的Abel反演算法. 反演结果与模拟设计密度分布符合良好, 要求X射线源半径在5 μm以内; 反演结果与模拟设计密度分布较为一致, 要求X射线源半径在15 μm以内.     

大型激光原型装置低燃料面密度诊断技术

由于某大型激光原型装置内爆实验的燃料面密度很低,提出了利用充纯D燃料内爆产生的初级DD中子和次级DT中子的产额比值来诊断燃料面密度的方法。在该原型装置的首轮内爆实验中,利用研制的高灵敏塑料闪烁体探测器对初级DD中子产额和次级DT中子产额进行了测量。通过实验发现,当初级DD中子产额高于108时,可以测得次级DT中子实验数据。建立了均匀内爆模型,用初级和次级中子产额比值法对燃料面密度进行计算,获得的该原型装置首轮内爆实验燃料压缩的平均面密度小于4.0 mg/cm2。