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。     

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。     

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.     

高能闪光照相中的能谱优化

在高能闪光照相技术中,提高图像接收平面上直穿与散射的比值有利于有效信息的提取。利用蒙特卡罗方法对法国实验客体的照相过程进行模拟,得到图像接收区域直穿分量与散射分量的能谱分布,依据其分布的特点提出了利用能谱优化来提高接收区域直散比的方法,指出添加衰减屏可以达到能谱优化的效果。依据线吸收系数的变化趋势以及实际加工的难度选择钽作为优化能谱的材料,并根据最小照射量的限制得到了最大的衰减屏厚度。最后通过蒙特卡罗模拟,指出添加9 mm的衰减屏能够对照相结果的优化程度最好,照射量满足要求,而直散比上升到原来的3倍左右。     

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。     

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...     

A lattice scenario for a proton radiography accelerator

A proton radiography system is an accelerator-based facility.Especially high-energy proton radiography is an advanced hydrodynamics diagnostic tool,and it is the trend of radiography technology development.In this paper,a 20 GeV accelerator complex scenario,including a 35 MeV linac,a 1 GeV booster and a 20 GeV main ring,is introduced.The overall physics design of the proton radiography accelerator is described,including the design of each part of the accelerator and the choice of the main parameters.     

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。     

高能闪光照相中的能谱优化

在高能闪光照相技术中,提高图像接收平面上直穿与散射的比值有利于有效信息的提取。利用蒙特卡罗方法对法国实验客体的照相过程进行模拟,得到图像接收区域直穿分量与散射分量的能谱分布,依据其分布的特点提出了利用能谱优化来提高接收区域直散比的方法,指出添加衰减屏可以达到能谱优化的效果。依据线吸收系数的变化趋势以及实际加工的难度选择钽作为优化能谱的材料,并根据最小照射量的限制得到了最大的衰减屏厚度。最后通过蒙特卡罗模拟,指出添加9 mm的衰减屏能够对照相结果的优化程度最好,照射量满足要求,而直散比上升到原来的3倍左右。     

束流发射度对质子照相色差模糊的影响

分析了质子照相过程中发射度的增长过程。开展了照相系统设计,针对设计的照相系统,采用理论分析和蒙特卡罗计算的方法,具体分析了各个发射度增长因素的影响程度。分析结果表明：对于高能质子照相,加速器的引出发射度对系统的色差模糊的影响可以忽略,但对于中能质子照相,加速器的引出发射度不可忽略。可通过提高加速器引出系统的聚焦能力和减小散束器的厚度来减小发射度影响。     

Monte Carlo simulation for bremsstrahlung and photoneutron yields in high-energy x-ray radiography

This paper reports on the results of calculations using a Monte Carlo code (MCNP5) to study the properties of photons, electrons and photoneutrons obtained in the converted target and their transportations in x-ray radiography. A comparison between measurements and calculations for bremsstrahlung and photoneutrons is presented. The radiographic rule and the effect of the collimator on the image are studied with the experimental model. The results provide exact parameters for the optimal design of radiographic layout and shielding systems.     

基于μ子动量谱的多群模型测量平板材料的厚度

在基于子多重库仑散射的断层成像技术中,天然宇宙射线中不同动量的子在同一目标对象中的散射特性存在明显的差异,这在一定程度上影响了成像分辨率。为了减少或消除这种不利影响,建立了一套基于天然宇宙射线子动量谱的多群模型,并检验其用于铅板厚度测量及平板材料识别中的性能和特征。结果表明,采用基于子动量谱的多群模型能够实现1~16 cm范围内铅板厚度的准确测量,相对误差小于5%。此外,该多群模型还可以通过计算辐射长度来识别未知平板的材料组成,尤其是对于高原子序数材料组成的平板,其辐射长度相对误差小于4%。     

A design study of a magnifying magnetic lens for proton radiography

Magnifying magnetic lenses can be used in high-energy proton microscopes. The -I lens suggested by Zumbro is analyzed in this paper, and a new type of magnetic lens called a lengthened lens is introduced. Theoretical analysis shows that the lengthened lens can form a magnifying lens, and at the same time the main advantages of a Zumbro lens are inherited. Using the My-BOC beam dynamics code, an example of the design is shown. The results show that the method of designing magnifying magnetic lenses is effective.     

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。     

Neutron collimator design of neutron radiography based on the BNCT facility

For the research of CCD neutron radiography,a neutron collimator was designed based on the exit of thermal neutron of the Boron Neutron Capture Therapy(BNCT)reactor.Based on the Geant4 simulations,the preliminary choice of the size of the collimator was determined.The materials were selected according to the literature data.Then,a collimator was constructed and tested on site.The results of experiment and simulation show that the thermal neutron flux at the end of the neutron collimator is greater than 1.0×106n/cm2/s,the maximum collimation ratio(L/D)is 58,the Cd-ratio(Mn)is 160 and the diameter of collimator end is 10 cm.This neutron collimator is considered to be applicable for neutron radiography.     

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.     

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。     

Muon radiography technology for detecting high-Z materials

This paper studies the possibility of using the scattering of cosmic muons to identify threatening high-Z materials.Various scenarios of threat material detection are simulated with the Geant4 toolkit.PoCA(Point of Closest Approach) algorithm reconstructing muon track gives 3D radiography images of the target material.Z-discrimination capability,effects of the placement of high-Z materials,shielding materials inside the cargo,and spatial resolution of position sensitive detector for muon radiography are carefully studied.Our results show that a detector position resolution of 50 μm is good enough for shielded materials detection.     

基于约束共轭梯度的高能闪光照相图像复原算法

 针对闪光照相系统模糊较大、成像信噪比低的特点,提出了一种基于约束共轭梯度的闪光照相图像复原算法,将闪光照相图像复原问题转化为一个约束优化问题,引入基于非负、中值滤波和偏微分方程的光滑约束条件,并利用约束共轭梯度法迭代求最优解。数值试验表明,该算法能较好再现图像边缘信息,复原出的图像在信噪比和视觉方面都有较大提高。