高能质子照相中角度准直器的理论与应用研究

Proton radiography is a new, quantitative and more capable diagnostic technology for weapons primary hydrodynamic tests. The angular collimator plays an important role in two magnetic lens imaging systems.. In this project, we proposed the study of the theory and the application of the angular collimator in high energy proton radiography. Based on the theoretical analysis and Monte Carlo simulation, the effect of the collimator parameters on the image quality will be studied, and optimal parameters including the angle-cut apertures, length and shape of the collimator will be recommend. Considering the effect of energy deviation on angle-cut is different for the x and y axes of the Fourier plane in the magnetic imaging lens, more work will be done in optimizing the size of collimator apertures, and the influence under the conditions of center offset of the collimator will be quantitative analyzed. In the two order imaging systems, the parameters of the two collimators will be considered to reduce the nuclear elastic scattering in density reconstruction, in order to improve the space resolution, density resolution and material identifying.. The study of this project will provide the theoretical basis for the capability of the proton radiography in hydrodynamic tests diagnoses.

高能质子照相技术是针对高能X射线照相技术在武器内爆压缩状态诊断能力不足而提出的新方法。作为质子照相关键技术的角度准直技术在两级成像系统中发挥着极其重要的作用。. 本项目在理论研究的基础上，利用自主研制的高能质子照相蒙特卡罗模拟程序—G4PRAD，开展角度准直器参数对图像品质的影响研究，定量给出准直器的最佳准直角度、厚度、形状；考虑能量损失在磁透镜成像系统中傅里叶平面上不同方向引起的散射角的位置差别，对准直器的孔径形状进行优化；分析角度准直器偏离轴线时对图像质量的影响；并通过两个角度准直器的匹配设计，降低核弹性散射效应带来的影响，提高空间分辨、密度分辨、材料分辨的精度。. 本项目的开展，为实验技术上提高质子照相对武器流体动力学试验的诊断能力提供理论依据，为将来在我国实现高能质子照相奠定扎实的基础。

高能质子照相技术是针对高能X射线照相技术在流体动力学试验中诊断能力不足而提出的新方法。角度准直器作为质子照相成像系统的关键部件，在高能质子照相中有着极为重要的作用，既可以利用角度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。本项目针对高能质子照相的实际，开展角度准直器对图像品质影响的理论研究，为实验技术上提高质子照相对流体动力学试验的诊断能力提供可靠、定量的理论依据，进而为将来在我国实现高能质子照相奠定扎实的基础。.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4个方面的成果：（1）提出了一种高能质子照相中准直器设计的方法，该方法设计的准直器可以很好地减小通量误差。利用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，研究结果表明，在使用理想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，而使用拉伸型时，与使用理想准直器得到的结果相差较大。（2）研究了非理想因素（准直器边缘、客体纵向尺寸和准直器中心轴线与束流轴线不重合等）对使用准直器时穿过客体的质子通量的影响，给出了存在非理想因素时质子通量的计算方法。（3）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，研究了边缘场效应对准直器孔径以及质子通过客体通量的影响。（4）提出了一种多材料诊断的方法。利用Geant4程序模拟20 GeV质子照相两级成像系统，并通过梯形靶得到了材料特参数。研究结果表明，多材料诊断的方法可以确定多材料客体的组分信息，并且能够给出材料特征参数分布以及诊断两种物质混合问题。