高能质子照相的数值模拟研究

高能粒子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。目前，国内外均使用高能X射线照相对武器流体动力学试验进行诊断。但是，X射线照相由于受到电子束斑尺寸、穿透能力、能谱和散射的影响，制约了从X射线照相实验中获得足够的量化信息。近十多年来，美国在高能质子照相上投入了大量的人力和物力，开展了理论和实验研究，并获得了突破性进展。目前，国内还没有用于高能质子照相的实验装置，也没有一个完整的程序系统可以完成质子照相所需要的数值模拟能力。本项目通过健全描述中高能（500MeV～50GeV）质子核反应的理论模型、加工完善现有的参数库、以及编制质子在磁场中输运程序模块，建立一个自主研发的质子照相全过程数值模拟程序。并通过实验装置和布局的优化设计以及小型客体的原理性实验验证，定量给出质子照相的空间分辨率和密度重建的精度，评估质子照相分辨物质混合的能力，为在我国实现质子照相提供可靠、定量的参考依据。

高能质子照相为武器初级流体动力学试验提供了一种优于X光照相技术的先进诊断方法。鉴于目前国内还没有用于高能质子照相的实验装置，也没有一个完整的程序系统可以完成质子照相所需要的数值模拟能力。本项目通过开发质子照相全过程数值模拟程序、优化设计实验装置和布局以及进行小型客体的原理性实验验证，定量给出质子照相的空间分辨率和密度重建的精度，实现了与现阶段高能X射线照相的定量比较。这些结果为在我国实现质子照相提供了可靠、定量的参考依据。. 项目的研究工作按计划进行并已完成预定的研究内容，实现了预期目标，取得了以下五个方面的成果：（1）完成了基于Geant4程序的高能质子照相蒙特卡罗模拟程序—G4PRAD的开发，程序具有面向对象的输入/输出面板，可实现质子照相全过程的模拟，并进行可视化展示。开发的高能质子照相蒙特卡罗模拟程序应用于质子照相中，为质子照相装置建立的可行性提供技术支撑，推动了质子照相技术的发展。（2）掌握了质子照相成像光路上主要元件的优化设计技术，能够精确模拟质子束经扩束器、匹配透镜、照相客体、成像透镜、角度准直器以及探测器等一系列元件的传输过程，得到不同照相系统的空间分辨率。解决了对高能质子照相全过程开展模拟的需求。（3）考虑核弹性散射过程对图像的影响，对质子照相基本方程进行了修正，并引入了有效平均自由程（与准直角有关）和有效辐射长度表达式，确定了利用核反应衰减程度和辐射衰减长度双重信息开展密度重建的技术路线，完成了基于全变分和代数重建技术的三维密度重建程序。（4）编制了基于Lie代数的质子照相磁透镜优化设计软件MyBOC，该软件可以快速优化设计质子照相的等大型以及放大型磁透镜，并计算磁透镜的1到3阶色差和像差系数。利用My-BOC程序完成了不同质子能量和照相装置的光学设计。（5）依托中国科学院近代物理研究所的重离子加速器-冷却储存环（HIRFL-CSR）装置，将现有的实验终端改造成重离子/质子照相装置，开展高能重离子/质子辐照条纹状样品及台阶状样品的实验研究，实验获得的最佳空间分辨率达90微米。并设计了2.6GeV质子专用照相终端，开展了相应的模拟工作。