大视场高空间分辨中子半影成像诊断技术研究

Hot-spot and cold fuel conditions at stagnation are the key parameters for the implosion performance assessment in Inertial Confinement Fusion (ICF). Neutron imaging system (NIS) measures the size and shape of the hot-spot and the cold fuel, which plays a significant role for understanding the implosion performance at NIF. However, because of the uncontrolled mismatch of the hot-spot center and the center of the field of view (FOV) of NIS, it is difficult to reconstruct the neutron emission image with high accuracy and precision. In this work, a new neutron imaging technology with wide FOV and high spatial resolution will be developed. By employing a circular cone, the point spread function of NIS can be near uniform in wide FOV. A model will be developed based on Monte Carlo technology, and used to design the geometry parameters of the circular cone, including the radian and the length. The spatial resolution, FOV and the requirement of the alignment can be estimated with this model. Then the image reconstruction technology with high accuracy and precision will be investigated. The new technology will be demonstrated with the X-ray source with the diameter of about 30 μm. At last, we will try to measure the neutron emission image on ShenGuang-III laser facility.

阻滞时刻的热斑和冷燃料状态，是激光驱动惯性约束聚变内爆物理研究中重点关注的物理参数之一。中子成像技术能够同时用于核反应区和冷燃料区的尺寸和形状诊断，在NIF内爆阻滞时刻物理研究中发挥了重要作用，但由于热斑中心位置相对成像系统视场中心偏离较大，且难以精密控制及表征，增加了高保真、高精度图像重建的难度，降低了重建图像的可信度。本项目拟建立一种大视场高空间分辨中子半影成像诊断技术，通过采用圆弧形半影锥作为成像组件，保证在较大视场范围内中子半影区响应函数具有良好的一致性，通过建立物理模型对圆弧锥的几何尺寸进行理论设计，包括圆弧弧度和半影锥长度，然后对系统空间分辨率、视场大小和瞄准精度要求进行评估，研究适用于该系统的高保真、高精度图像重建方法，并利用微焦点X射线源开展成像技术演示实验，尝试在神光III主机装置测量聚变中子发射区图像，建立一种基于单结构成像组件的大视场高空间分辨中子半影成像诊断技术。

阻滞时刻的热斑和冷燃料状态，是激光驱动惯性约束聚变内爆物理研究中重点关注的物理参数之一。中子成像技术能够同时用于核反应区和冷燃料区的尺寸和形状诊断，其在NIF内爆阻滞时刻物理研究中发挥了重要作用，但由于热斑中心位置相对成像系统视场中心偏离较大，且难以精密控制及表征，增加了高保真、高精度图像重建的难度，降低了重建图像的可信度。.本项目基于圆弧形半影锥建立了一种大视场高空间分辨中子半影成像诊断技术，保证在较大视场范围内中子半影区响应函数具有良好的一致性。本项目基于半影成像几何排布和蒙特卡罗中子输运算法，建立了物理模型。基于圆弧锥成像原理，梳理影响圆弧锥成像性能的七个几何参数：①圆弧半径，决定了极限空间分辨能力；②圆弧锥中心截面半径，决定于放大倍数和图像记录面尺寸；③圆弧锥锥顶截面半径，决定于加工极限；④圆弧锥长度，决定于圆弧半径、圆弧锥中心截面半径和圆弧锥锥顶截面半径；⑤有效视场范围，决定于物理需求；⑥物距，决定于圆弧锥尺寸和有效视场范围要求；⑦像距，决定于物距、放大倍数和中子产额。基于Lucy-Richardson算法和维纳滤波算法实现了高精度、高保真图像重建。基于100kJ大型激光装置中子源特性，优化圆弧锥中子半影成像诊断系统设计，实现视场范围约为1mm，几何空间分辨约为7微米。.基于X射线微焦点源，开展了圆弧锥半影成像诊断技术演示实验设计。对于能量为70keV的X射线，圆弧锥半影成像空间分辨约为0.2μm，能够实现对微米级光斑成像。采用约10倍放大设计，采用空间分辨约为9μm的X射线图像探测技术，获得数微米尺度光源的半影图像，并重建出源区图像，其尺寸与出厂指标基本一致。 成功实现圆弧锥半影成像原理的实验验证。