中子半影成像的數(shù)值模擬

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1、第18卷第7期強(qiáng)激光與粒子束Vol.18,No.72006年7月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJul.,2006文章編號:1001-4322(2006)07-1203-05中子半影成像的數(shù)值模擬*趙宗清1,2,丁永坤2,劉東劍2,3,唐昶環(huán)2,溫樹槐2,蒲以康1(1.清華大學(xué)工程物理系,北京100084;2.中國工程物理研究院激光聚變研究中心,四川綿陽621900;3.四川大學(xué)原子核科學(xué)與技術(shù)研究所,成都610065)摘要:半影成像具有靈敏度高的特點(diǎn),該技術(shù)是未來慣性約束聚變(ICF)中子成像的主要技術(shù)路線?；谥凶影胗俺上竦幕疽?利用

2、蒙特卡羅方法,采用偏移抽樣法和面通量的體通量替代技巧,模擬中子在半影成像系統(tǒng)中的輸運(yùn),得到2維圖像,并通過圖像重建程序得到重建的源區(qū)圖像。利用模擬結(jié)果,對編碼孔屏蔽材料的選擇和外徑設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步優(yōu)化,最終選擇5cm厚的鎢屏蔽材料,其編碼孔外徑為1cm。關(guān)鍵詞:半影成像;MCNP程序;編碼孔;中子中圖分類號:O571.523;O532.13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A實(shí)驗(yàn)室慣性約束聚變(ICF)核反應(yīng)產(chǎn)物中的中子,即使對最大尺寸的內(nèi)爆靶,也可以從內(nèi)爆中心逃逸出來而幾乎不受所通過的燃料區(qū)和靶殼的影響。ICF內(nèi)爆中子的診斷與其他內(nèi)爆產(chǎn)物的診斷相比更具可靠性,而其他內(nèi)爆產(chǎn)物如帶電粒子、γ射線

3、等的診斷可能會(huì)受到很多因素的干擾。中子成像技術(shù),可以獲得內(nèi)爆中子產(chǎn)生區(qū)域圖像,從而驗(yàn)證內(nèi)爆動(dòng)力學(xué)計(jì)算的正確性,了解靶丸壓縮與產(chǎn)額之間的關(guān)系,獲得各種黑腔、靶丸設(shè)計(jì)的性能參數(shù),達(dá)到優(yōu)化靶及黑腔設(shè)計(jì)等目的。常用的中子成像技術(shù)有針孔成像、半影成像兩種。美國勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的D.Ress,R.A.Lerche等人,在實(shí)驗(yàn)上采用針孔成像技術(shù),首次[1][2-9]測到了內(nèi)爆中子圖像,證實(shí)了中子成像技術(shù)的可行性。此后,美國、法國和日本的科學(xué)家在對中子成像的[3-4]模擬、解譜和實(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行了深入的研究,其中,L.Disdier等人于2002年在Omega裝置上利用

4、中子半影成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了20的分辨率,而在即將建成的美國NIF裝置和法國LMJ裝置上要實(shí)現(xiàn)5～10的分辨μmμm率。與針孔中子成像相比,中子半影成像立體角大,靈敏度高,對源的中子產(chǎn)額要求較低,而且半影孔制作相對簡單。本文正是基于半影成像的基本要求,利用蒙特卡羅方法,模擬中子在半影成像系統(tǒng)中的輸運(yùn),獲得2維圖像,并通過圖像重建程序得到重建的源區(qū)圖像。同時(shí),對編碼孔材料和編碼孔外徑的選擇進(jìn)行了一定優(yōu)化。這些工作還能對編碼孔的形狀、尺寸、工作距離的選擇和成像的分辨率等提供直觀的數(shù)值依據(jù)。1中子半影成像原理及方法常用的中子成像技術(shù)有針孔成像、編碼成像兩種。中子半影成像是編碼成像技

5、術(shù)的一種,主要有兩個(gè)步Fig.1Principleofthepenumbralimagingsystem圖1半影成像原理圖*收稿日期:2006-03-08;修訂日期:2006-05-15基金項(xiàng)目:國家863計(jì)劃項(xiàng)目資助課題作者簡介:趙宗清(1980-),男,主要從事慣性約束聚變內(nèi)爆物理的研究;zhaozongqing99@mails.tsinghua.edu.cn。1204強(qiáng)激光與粒子束第18卷[5]驟:第一步,由中子源發(fā)射中子,經(jīng)過半影孔形成編碼像,編碼像由亮區(qū)、半影區(qū)和本底組成。這一過程中,應(yīng)當(dāng)根據(jù)源的具體情況選擇合適的半影孔。在滿足近軸條件的情況下,半影孔的點(diǎn)擴(kuò)散

6、函數(shù)(PSF)可以認(rèn)為是空間不變的,其半徑R和源半徑R必須滿足csRc(1+Li/Lo)>Rs(Li/Lo)(1)式中:L為源到孔的距離;L為孔到探測器的距離。源的亮度分布o(jì)(x,y)通過半影孔點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)h(x,y)的oi卷積作用之后,得到像的亮度分布i(x,y)為i(x,y)=o(x,y)**h(x,y)+n(x,y)(2)式中:**代表2維卷積;n(x,y)為干擾噪聲。第二步,由編碼像經(jīng)過圖像反演得到源的亮度分布,即中子通量分布。圖像反演的基本思想是:先分別對i(x,y),h(x,y)和n(x,y)做傅里葉變換得到其頻域分布I(kx,ky),H(kx,ky)和N(k

7、x,ky),相應(yīng)地,I(kx,ky)=H(kx,ky)·o(kx,ky)+N(kx,ky)(3)通過一定的圖像反演算法,就可以得到o(kx,ky),再進(jìn)行逆傅里葉變換便可以得到源的中子強(qiáng)度的2維空間分布。2中子半影成像的模擬蒙特卡羅方法是一種隨機(jī)抽樣方法。利用已知的中子反應(yīng)截面數(shù)據(jù),模擬各種微觀物理過程,通過概率抽樣對源粒子的行為進(jìn)行跟蹤,決定每次碰撞后次級粒子的運(yùn)動(dòng)方向和速率。根據(jù)需要對相應(yīng)的物理量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),逐次跟蹤下去,就可以得到所需的結(jié)果。我們采用MCNP作為計(jì)算程序。MCNP是一個(gè)大型多功能的蒙特卡羅計(jì)算程序,具有較強(qiáng)的通用性,在