高能質(zhì)子照相的研究進(jìn)展

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1、高能質(zhì)子照相的研究進(jìn)展1引言高能閃光照相始于美國的曼哈頓計(jì)劃(Manhattanproject),并持續(xù)到現(xiàn)在,它一直用來獲取爆轟壓縮過程中材料內(nèi)部的密度分布、整體壓縮的效果以及沖擊波穿過材料的傳播過程、演變和壓縮場的發(fā)展的靜止“凍結(jié)”圖像.這一過程非常類似于醫(yī)學(xué)X射線對骨骼或牙齒的透射成像.高能閃光照相有兩個(gè)顯著特點(diǎn):首先,照相客體是厚度很大的高密度物質(zhì),要求能量足夠高;其次,客體內(nèi)的流體動力學(xué)行為瞬時(shí)變化,要求曝庭光時(shí)間足夠短.目前,世界上最先進(jìn)夥的閃光照相裝置是美國洛斯?阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室(LANL)的雙軸閃光照相流鬢體

2、動力學(xué)試驗(yàn)裝置(DARHT)[1]鐺.它是由兩臺相互垂直的直線感應(yīng)加速器孌組成的雙軸照相系統(tǒng),一次實(shí)驗(yàn)?zāi)軓膬蓚€(gè)魂垂直方向連續(xù)拍攝4幅圖像,并且在光源迎焦斑和強(qiáng)度方面都有提高.但是,DARHT也僅有兩個(gè)軸,這是獲得三維數(shù)據(jù)的薹最小視軸數(shù)目,最多只能連續(xù)拍攝4幅圖吹像,不能進(jìn)行多角度多時(shí)刻的輻射照相,贐獲得流體動力學(xué)試驗(yàn)的三維圖像.而且D渭ARHT的空間分辨率受電子束斑大小的制約.由于電子相互排斥,電子束不能無鈍16/16限壓縮,束流打到轉(zhuǎn)換靶上,產(chǎn)生等離子鉗體，使材料熔化，這在一定程度上擴(kuò)展了祛束斑直徑,從而使X射線光斑增大.

3、估計(jì)夜最小的電子束直徑為1—2mm,制約了釀空間分辨率的提高.研究人員希望實(shí)摑現(xiàn)對流體動力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行多角度(軸)、每個(gè)角度多時(shí)刻(幅)的輻射照相,從而直獲得流體動力學(xué)試驗(yàn)的三維動態(tài)過程圖像.l995年,美國LANL的科學(xué)家C宵hrisMorris提出用質(zhì)子代替X唷射線進(jìn)行流體動力學(xué)試驗(yàn)透射成像[2]嘔.首次質(zhì)子照相得到的圖像,其非凡的質(zhì)茳量出乎發(fā)明者的預(yù)料.后續(xù)的研究和實(shí)驗(yàn)詞也確認(rèn)了這項(xiàng)技術(shù)的潛在能力.據(jù)Mor歆ris回憶,20世紀(jì)90年代初期武器雌研制計(jì)劃資助了一項(xiàng)中子照相研究.其立槌項(xiàng)的主要思想就是利用高能質(zhì)子、中子和她

4、其他強(qiáng)子的長平均自由程,使其成為閃光答照相的理想束源.SteveSterb堯enz從這個(gè)思路出發(fā)，研究了使用中子照相進(jìn)行流體動力學(xué)試驗(yàn)診斷的可能性.逸然而即使使用質(zhì)子儲存環(huán)(PSR)的強(qiáng)［脈沖產(chǎn)生中子,中子通量都不足以在流體鐮動力學(xué)試驗(yàn)短時(shí)間尺度下獲得清晰的圖像躕.當(dāng)時(shí)的洛斯?阿拉莫斯介子物理裝置(椴LAMPF)負(fù)責(zé)人GerryGarvey聽到這種意見的第一反應(yīng)是“為什么ㄨ不用質(zhì)子”Morris將這些思想統(tǒng)一畛起來,利用高能質(zhì)子束實(shí)現(xiàn)流體動力學(xué)試彬驗(yàn)診斷的突破,就是水到渠成的事[3]葷.Morris指出:質(zhì)子照相的實(shí)施應(yīng)餡歸

5、功于現(xiàn)代加速器具有產(chǎn)生高能質(zhì)子和高鏢16/16強(qiáng)度質(zhì)子的能力.促使發(fā)展質(zhì)子照相技術(shù)惹最重要的一步是TomMottersh盜ead和JohnZumbro提出的質(zhì)友子照相所需的磁透鏡系統(tǒng)[4],以及N弄ickKing在武器應(yīng)用中發(fā)展改進(jìn)的贏快速成像探測系統(tǒng)[5].高能質(zhì)子域束為內(nèi)爆物理研究提供了堪稱完美的射線轷照相“探針”，因?yàn)槠淦骄杂沙膛c流體骱動力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮穸认嗥ヅ?射線照相湃信息通過測量透過客體的射線投影圖像來翁獲取.如果輻射衰減長度過短,則只有客撣體外部邊界能夠測量;如果輻射衰減長度惕過長,則沒有投影產(chǎn)生.質(zhì)子照相為流體

6、獄動力學(xué)試驗(yàn)提供了一種先進(jìn)的診斷方法.ガ2質(zhì)子與物質(zhì)相互作用機(jī)制高能吒質(zhì)子與物質(zhì)相互作用的機(jī)制是質(zhì)子照相原骱理的基礎(chǔ).首先,需要從質(zhì)子與物質(zhì)的相碴互作用出發(fā)，對質(zhì)子在物質(zhì)中的穿透性和散射過程進(jìn)行分析研究.所有質(zhì)子都緊在被測物質(zhì)內(nèi)部并與其發(fā)生相互作用.質(zhì)符子與物質(zhì)的相互作用分為強(qiáng)作用力和電磁陟作用力[6].強(qiáng)作用力是短程力,質(zhì)子與核的強(qiáng)作用力分為彈性碰撞和非彈性碰撞兩種:16/16如果是彈性碰撞,以某種角充度散射的質(zhì)子保持其特性和動量,質(zhì)子因唧受核力的強(qiáng)大作用,會偏轉(zhuǎn)很大角度,這ツ種現(xiàn)象叫做核彈性散射(如果采用角度準(zhǔn)植直器,

7、這部分貢獻(xiàn)可以忽略);如果泗是非彈性碰撞,質(zhì)子被吸收,也就是說,宦?lián)p失大部分能量分裂核,產(chǎn)生亞原子粒子租——π介子.當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級侃,質(zhì)子與原子核的強(qiáng)相互作用占主導(dǎo)地位癮.質(zhì)子與物質(zhì)原子核中的質(zhì)子和中子發(fā)生涿非彈性核相互作用，造成質(zhì)子束指數(shù)衰減鴨，其衰減規(guī)律可表示為NN0=ex锿p-∑ni=1liλi,(1)其躊中N0,N分別為入射到被測物體上的質(zhì)蟄子通量和穿過被測物體的質(zhì)子通量;λi和li分別為第i種材料的平均自由程和裟厚度.當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級,核反應(yīng)截面幾乎不變,單就穿透能力而言,質(zhì)器子能量達(dá)到GeV量級

8、就足夠了.核反應(yīng)莆截面不變有利于質(zhì)子照相的密度重建,因骷為質(zhì)子在客體中的散射過程可能導(dǎo)致質(zhì)子能量發(fā)生變化.由于質(zhì)子帶電,它也冗通過長程電磁作用力與物質(zhì)相互作用.當(dāng)洹質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級時(shí)，電磁作用只拉16/16能產(chǎn)生很小的能量損失和方向變化:┣質(zhì)子與原子核的