快中子编码成像诊断技术应用研究

Neutron coded-aperture imaging has been developed as an important diagnostic for inertial fusion studies in recent decades. It is used to measure the distribution of neutrons produced in deuterium-tritium plasma. Neutron imaging can provide a direct measurement of the spatial extent of neutron-production reactions and the symmetry of plasma compression, which help us to understand radiation ablation, hydrodynamics instability and some other aspects of plasma physics. Based on this information, we can improve the design of the fusion device. On the basis of previous research, we will further study the application of fast neutron coding imaging diagnosis technology in this project. Specifically, the research plan includes manufacture of some key components such as coded aperture and scintillation fiber array, the development of high fidelity source reconstruction algorithm, the research of system alignment and bias correction technology, and the experimental verification of the adaptability of the whole imaging system. Meanwhile, we will explore the three-dimensional neutron imaging technology based on two or three axis imaging. The research project can enhance the adaptability of neutron imaging in the diagnostic of actual fusion devices and meet the requirements of precise diagnosis and improvement of the fusion device, thus promoting the development of national large-scale science projects.

快中子编码成像技术已经成为最重要的聚变诊断技术之一。通过对聚变区快中子进行被动成像，可以获得经压缩发生聚变的等离子体区域的尺度变化及压缩对称性等参数，以诊断内爆对称性、辐射烧蚀、流体力学不稳定性等物理过程，进而指导靶丸与聚变装置的设计和改进。本项目将在既往研究的基础上，深入开展快中子编码成像诊断技术应用研究。具体研究内容包括编码孔和闪烁光纤阵列等关键部件的研制，高适应性源区图像重建算法研发，系统瞄准与偏差校正技术研究和编码成像系统适应性的实验验证研究，同时积极探索基于两轴或三轴的三维中子成像技术。本研究项目的开展，可提升该技术在核聚变装置诊断应用中的适应性，满足核聚变装置精确诊断与改进设计的需求，从而促进国家大科学工程发展。

聚变区快中子进行编码成像技术可应用于内爆对称性、辐射烧蚀、流体力学不稳定性等物理过程诊断，并对聚变装置优化设计可起到技术支撑作用。本项目主要研究成果如下：.1、建立了各类型编码孔优化设计方法。在中子产额为10^11时，内径为0.25cm，厚度为6cm的半影孔的原图像与重建图像相关系数C最大为0.72。在中子产额为10^10时、环孔在物距为50cm时的最优尺寸为a1=0.95cm、a2=0.85cm、a3=1.05cm、a4=1.1cm、环孔内径R=1cm、厚度h=10cm。对于复杂迷宫孔，在中子产额为2.7×10^10时，1.7线对/mm源时6cm厚的迷宫孔具有更好的成像效果。.2、研制了防质子串扰的高性能闪烁光纤阵列。分析了不同材料作为防质子串扰层对光线阵列性能的影响，结果表明以Pt作为防质子串扰层的光纤阵列空间分辨可显著提高，为液体闪烁光纤阵列试制工艺的建立与优化提供了依据。.3、研究获得了在大视场、低中子产额、高噪声条件下的高适应性二维图像重建算法以及基于稀疏重建的两轴三维图像重建算法，并利用神光Ⅱ装置X射线的两轴三维图像对其进行了验证，将重建得到的源区X射线图像向成像面做正卷积获得的图像与实验编码像高度一致，残差<4%，说明两轴三维重建结果可靠。.4、研究了系统完整的高精度源区对心瞄准与偏差校正技术，开发了系统放大倍数校正程序，由相关系数（CC）、均方误差（MSE）、信噪比（SNR）等图像指标来评价重建结果的质量，确定了成像系统编码孔倾斜、孔道变形、源偏离系统主轴状态的容忍度：圆盘源和“E”字母源下，系统对编码孔倾斜的容忍度分别为2.65°和1.06°，对孔道变形的容忍度分别为孔道截面离心率e为0.4和0.7，对源偏离系统主轴的容忍度分别为1cm和0.5cm。.5、建立了改进的自适应中值滤波方法。可在有效抑制“耀斑”噪声的同时最大程度地保留原图像信息和细节，为实际实验图像上由中子的次级重带电粒子、散射γ射线的次级电子等在成像系统关键部件上产生的“耀斑”型噪声的有效抑制奠定了基础。.研究对快中子编码成像诊断技术应用于核聚变装置诊断实用化程度的提升取得了实质性进展。