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1、高能質子照相的研究進展作者：許海波 孔令?！∨憩F(xiàn)科 摘要高能閃光照相是診斷致密物質內(nèi)部幾何結構和物理特性的最有效技術.高能質子照相在穿透能力、材料識別、空間分辨率等方面都優(yōu)于X射線照相,已經(jīng)成為美國先進流體動力學試驗裝置的優(yōu)先發(fā)展對象.文章詳細介紹了高能質子照相方案及其研究進展. 關鍵詞光電子學,質子照相,綜述,質子加速器,磁透鏡 AbstractHigh-energyflashradiographyisthemosteffectivetechniquetointerrogatei
2、nnergeometricalstructureandphysicalcharacteristicofdensematerials.Itisshownthathigh-energyprotonradiographyissuperiortohigh-energyx-rayradiographyinpenetratingpower,materialcompositionidentificationandspatialresolution.Protonradiographyistakenasaleadin
3、gcandidatefortheAdvancedHydrotestFacilitybytheUnitedStates.Theprojectandcurrentdevelopmentinhigh-energyprotonradiographyisreviewed. Keywordsoptoelectronics,protonradiography,review,protonaccelerator,magneticlens 1引言 高能閃光照相始于美國的曼哈頓計劃,并持續(xù)到現(xiàn)在,
4、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”圖像.這一過程非常類似于醫(yī)學X射線對骨骼或牙齒的透射成像.高能閃光照相有兩個顯著特點:首先,照相客體是厚度很大的高密度物質,要求能量足夠高;其次,客體內(nèi)的流體動力學行為瞬時變化,要求曝光時間足夠短. 目前,世界上最先進的閃光照相裝置是美國洛斯?阿拉莫斯國家實驗室(LANL)的雙軸閃光照相流體動力學試驗裝置［1］.它是由兩臺相互垂直的直線感應加速器組成的雙軸照相系統(tǒng),一次實驗
5、能從兩個垂直方向連續(xù)拍攝4幅圖像,并且在光源焦斑和強度方面都有提高.但是,DARHT也僅有兩個軸,這是獲得三維數(shù)據(jù)的最小視軸數(shù)目,最多只能連續(xù)拍攝4幅圖像,不能進行多角度多時刻的輻射照相,獲得流體動力學試驗的三維圖像.而且DARHT的空間分辨率受電子束斑大小的制約.由于電子相互排斥,電子束不能無限壓縮,束流打到轉換靶上,產(chǎn)生等離子體，使材料熔化，這在一定程度上擴展了束斑直徑,從而使X射線光斑增大.估計最小的電子束直徑為1—2mm,制約了空間分辨率的提高. 研究人員希望實現(xiàn)對流體動力學試驗進行多角
6、度(軸)、每個角度多時刻(幅)的輻射照 相,從而獲得流體動力學試驗的三維動態(tài)過程圖像.l995年,美國LANL的科學家ChrisMorris提出用質子代替X射線進行流體動力學試驗透射成像［2］.首次質子照相得到的圖像,其非凡的質量出乎發(fā)明者的預料.后續(xù)的研究和實驗也確認了這項技術的潛在能力.據(jù)Morris回憶,0世紀90年代初期武器研制計劃資助了一項中子照相研究.其立項的主要思想就是利用高能質子、中子和其他強子的長平均自由程,使其成為閃光照相的理想束源.SteveSterbenz從這個思路出發(fā)，研
7、究了使用中子照相進行流體動力學試驗診斷的可能性.然而即使使用質子儲存環(huán)(PSR)的強脈沖產(chǎn)生中子,中子通量都不足以在流體動力學試驗短時間尺度下獲得清晰的圖像.當時的洛斯?阿拉莫斯介子物理裝置(LAMPF)負責人GerryGarvey聽到這種意見的第一反應是“為什么不用質子？”Morris將這些思想統(tǒng)一起來,利用高能質子束實現(xiàn)流體動力學試驗診斷的突破,就是水到渠成的事［3］.Morris指出:質子照相的實施應歸功于現(xiàn)代加速器具有產(chǎn)生高能質子和高強度質子的能力.促使發(fā)展質子照相技術最重要的一步是TomM
8、ottershead和JohnZumbro提出的質子照相所需的磁透鏡系統(tǒng)［4］,以及NickKing在武器應用中發(fā)展改進的快速成像探測系統(tǒng)［5］. 高能質子束為內(nèi)爆物理研究提供了堪稱完美的射線照相“探針”，因為其平均自由程與流體動力學試驗模型的厚度相匹配.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.質子照相為流體動力學試驗提供了一種先進的診斷方法. 質子與物質相互
