資源描述：
《中子半影成像的軟件平臺(tái) - 核工業(yè)西南物理研究院》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、中子半影成像的軟件系統(tǒng)趙宗清1,2丁永坤1郝軼聃1 袁永騰1李志超1(1.中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川綿陽，621900；2.清華大學(xué)工程物理系，北京100084)摘要：中子半影成像的軟件系統(tǒng)包括成像過程模擬和圖像重建算法研究。目前，我們已分別發(fā)展了Monte-Carlo方法和解析模擬方法，對(duì)成像的物理過程進(jìn)行了細(xì)致的模擬，兩種方法得到了非常一致的比對(duì)結(jié)果。我們發(fā)展了維納濾波法和Richardson-Lucy方法用于圖像重建，并分別采用兩種重建算法對(duì)模擬成像的結(jié)果進(jìn)行了解碼。通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Richardson-Lucy方法得到的結(jié)果與源符合
2、得更好，較維納濾波法更具可行性。據(jù)此詳細(xì)考察了散射中子、編碼孔加工誤差及整個(gè)成像系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)精度對(duì)編碼圖像的影響，為成像系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)提供了重要的參考意見。關(guān)鍵詞：蒙特卡羅方法；解析模型；維納濾波；Richardson-Lucy方法引言：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)算的正確與否，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。美國勞倫斯里弗莫爾實(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)，首次獲得了內(nèi)爆中子圖像，證實(shí)了中子成像技術(shù)的可行性
3、，該結(jié)果發(fā)表在1988年的Science上[1]。此后，美國，法國和日本的科學(xué)家[2-8]在對(duì)中子成像的模擬，解譜和實(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行了深入的研究。其中，2002年，L.Disdier[3,4]等人在Omega裝置上利用中子半影成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了20μm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)5～10μm的分辨率。在神光II激光裝置上，中子產(chǎn)額較低，不能滿足中子成像的要求[10]。但隨著我國ICF事業(yè)的發(fā)展，在神光III原型裝置上DT中子產(chǎn)額有望達(dá)到1010/發(fā)以上，這為中子成像技術(shù)的發(fā)展提供了有利的條件。因此，為了提高我國ICF核診斷的水平，
4、我們將大力發(fā)展中子半影成像技術(shù)。中子半影成像系統(tǒng)的建設(shè)，包括硬件平臺(tái)建設(shè)和軟件平臺(tái)建設(shè)兩部分。硬件平臺(tái)的建設(shè)包括編碼孔的設(shè)計(jì)加工，圖像記錄系統(tǒng)研制和瞄準(zhǔn)技術(shù)研究等。目前我們?cè)诰幋a孔加工技術(shù)和瞄準(zhǔn)技術(shù)方面還有一定的技術(shù)瓶頸，需要進(jìn)行突破。同時(shí)，為了考察中子成像技術(shù)的可行性，并且為硬件設(shè)計(jì)提供定量化的參考意見，軟件平臺(tái)的建設(shè)必須先于硬件平臺(tái)建設(shè)。圖1中子半影成像硬件系統(tǒng)2成像過程的數(shù)值模擬2.1蒙特卡羅模擬[11]Monte-Carlo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(duì)源粒子的行為進(jìn)行跟蹤,決定每次碰撞后次級(jí)
5、粒子的運(yùn)動(dòng)方向和速率。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,可處理復(fù)雜場(chǎng)所三維幾何結(jié)構(gòu)的中子光子耦合輸運(yùn)問題。MCNP具有較強(qiáng)的通用性,在源描述、空間物質(zhì)的幾何分布上具有很大的靈活性,可處理任意三維幾何結(jié)構(gòu)問題,適用面寬。對(duì)中子的輸運(yùn)問題,MCNP詳細(xì)處理了各種微觀物理過程,適用于中子成像的要求。利用MCNP模擬中子成像，能使我們更好地理解中子在成像系統(tǒng)中的輸運(yùn)過程，同時(shí)能夠得到圖像重建所需要的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，為圖像重建算法的研究提供條件。2.2解析模擬[12]通過物理分析和幾何建模，我們得到成像傳遞函數(shù)，由兩部分的乘積組成，
6、即幾何衰減因子(1)及吸收衰減因子(2)其中為中子束在錐孔材料中的吸收路程，為材料的中子吸收系數(shù)。詳細(xì)內(nèi)容可參看文獻(xiàn)12。1.3兩種模擬方法的比較圖2蒙特卡羅方法和解析方法得到的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)圖2是蒙特卡羅模擬和解析模擬分別得到的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。從圖2中可以看出，蒙特卡羅模擬得到的圖像考慮了散射等物理因素的影響，存在著統(tǒng)計(jì)誤差，而解析法得到的圖像非常光滑。Monte-Carlo方法的優(yōu)勢(shì)在于通過對(duì)單中子事例的微觀物理過程的計(jì)算來實(shí)現(xiàn)宏觀模擬，因此其結(jié)果在包括噪聲分布等的各方面均非常接近真實(shí)物理過程。而解析方法的優(yōu)勢(shì)在于，忽略噪聲、對(duì)中子束的幾何光學(xué)近似及采用各種宏觀
7、物理現(xiàn)象的唯象理論，使得計(jì)算效率極高。因此，我們的發(fā)展方向定位為，采用解析方法對(duì)中子成像系統(tǒng)進(jìn)行定性或半定量估計(jì)，并在此基礎(chǔ)上采用Monte-Carlo方法做進(jìn)一步的細(xì)致研究，并且采用并行機(jī)提高M(jìn)onte-Carlo的計(jì)算效率。3圖像重建3.1成像模型中子半影成像，主要有兩個(gè)步驟[5]：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。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)之后，像的亮度分布i(x,y)為：（3）其中，**代表二維卷積，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
8、通量分布。圖像反演的基本思想是：先分別對(duì)i(x,y)
