高能質(zhì)子照相的研究進(jìn)展論文

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1、高能質(zhì)子照相的研究進(jìn)展論文許海波孔令海彭現(xiàn)科摘要高能閃光照相是診斷致密物質(zhì)內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)和物理特性的最有效技術(shù).高能質(zhì)子照相在穿透能力、材料識(shí)別、空間分辨率等方面都優(yōu)于X射線照相,已經(jīng)成為美國先進(jìn)流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)裝置的優(yōu)先發(fā)展對(duì)象.文章詳細(xì)介紹了高能質(zhì)子照相方案及其研究進(jìn)展.關(guān)鍵詞光電子學(xué),質(zhì)子照相,綜述,質(zhì)子加速器,磁透鏡AbstractHigh-energyflashradiographyisthemosteffectivetechniquetointerrogateinnergeometricalstructureandphysicalcharacteri

2、sticofdensematerials.Itisshoaterialpositionidentificationandspatialresolution.ProtonradiographyistakenasaleadingcandidatefortheAdvancedHydrotestFacilitybytheUnitedStates.Theprojectandcurrentdevelopmentinhigh-energyprotonradiographyisrevieagiclens1引言高能閃光照相始于美國的曼哈頓計(jì)劃（Ｍanhattanproject

3、）,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(duì)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,.freelm,制約了空間分辨率的提高.研究人員希望實(shí)現(xiàn)對(duì)流體動(dòng)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,從而獲得流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的三維動(dòng)態(tài)過程圖像.l995年,美國LANL的科學(xué)家ChrisMorris提出用質(zhì)子代替X射線進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)透射成像［2］.首次質(zhì)子照相得到的圖像,其非凡的質(zhì)量出乎發(fā)明者的預(yù)料.后續(xù)的研究

4、和實(shí)驗(yàn)也確認(rèn)了這項(xiàng)技術(shù)的潛在能力.據(jù)Morris回憶,20世紀(jì)90年代初期武器研制計(jì)劃資助了一項(xiàng)中子照相研究.其立項(xiàng)的主要思想就是利用高能質(zhì)子、中子和其他強(qiáng)子的長平均自由程,使其成為閃光照相的理想束源.SteveSterbenz從這個(gè)思路出發(fā)，研究了使用中子照相進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)診斷的可能性.然而即使使用質(zhì)子儲(chǔ)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動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)短時(shí)間尺度下獲得清晰的圖像.當(dāng)時(shí)的洛斯阿拉莫斯介子物理裝置(LAMPF)負(fù)責(zé)人GerryGarvey聽到這種意見的第一反應(yīng)是“為什么不用質(zhì)子？”Morris將這些思想統(tǒng)一起來,利用高能質(zhì)子束實(shí)現(xiàn)流

5、體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)診斷的突破,就是水到渠成的事［3］.Morris指出:質(zhì)子照相的實(shí)施應(yīng)歸功于現(xiàn)代加速器具有產(chǎn)生高能質(zhì)子和高強(qiáng)度質(zhì)子的能力.促使發(fā)展質(zhì)子照相技術(shù)最重要的一步是TomMottershead和JohnZumbro提出的質(zhì)子照相所需的磁透鏡系統(tǒng)［4］,以及NickKing在武器應(yīng)用中發(fā)展改進(jìn)的快速成像探測系統(tǒng)［5］.高能質(zhì)子束為內(nèi)爆物理研究提供了堪稱完美的射線照相“探針”，因?yàn)槠淦骄杂沙膛c流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮穸认嗥ヅ?射線照相信息通過測量透過客體的射線投影圖像來獲取.如果輻射衰減長度過短,則只有客體外部邊界能夠測量；如果輻射衰減長度過長,則沒有投影產(chǎn)生.質(zhì)

6、子照相為流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)提供了一種先進(jìn)的診斷方法.2質(zhì)子與物質(zhì)相互作用機(jī)制高能質(zhì)子與物質(zhì)相互作用的機(jī)制是質(zhì)子照相原理的基礎(chǔ).首先,需要從質(zhì)子與物質(zhì)的相互作用出發(fā)，對(duì)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)子都在被測物質(zhì)內(nèi)部并與其發(fā)生相互作用.質(zhì)子與物質(zhì)的相互作用分為強(qiáng)作用力和電磁作用力［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:如果是彈性碰撞,以某種角度散射的質(zhì)子保持其特性和動(dòng)量,質(zhì)子因受核力的強(qiáng)大作用,會(huì)偏轉(zhuǎn)很大角度,這種現(xiàn)象叫做核彈性散射（如果采用角度準(zhǔn)直器,這部分貢獻(xiàn)可以忽略）；如果是非彈性碰撞,質(zhì)子被吸收,也就是說

7、,損失大部分能量分裂核,產(chǎn)生亞原子粒子——π介子.當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級(jí),質(zhì)子與原子核的強(qiáng)相互作用占主導(dǎo)地位.質(zhì)子與物質(zhì)原子核中的質(zhì)子和中子發(fā)生非彈性核相互作用，造成質(zhì)子束指數(shù)衰減，其衰減規(guī)律可表示為NN0＝exp-∑ni=1liλi,(1)其中N0,N分別為入射到被測物體上的質(zhì)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厚度.當(dāng)質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級(jí),核反應(yīng)截面幾乎不變,單就穿透能力而言,質(zhì)子能量達(dá)到GeV量級(jí)就足夠了.核反應(yīng)截面不變有利于質(zhì)子照相的密度重建,因?yàn)橘|(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