高能質子照相研究進展論文

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摘要高能閃光照相是診斷致密物質內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于X射線照相,已經成為美國先進流體動力學試驗裝置的優先發展對象.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-energyflashradiographyisthemosteffectivetechniquetointerrogateinnergeometricalstructureandphysicalcharacteristicofdensematerials.Itisshownthathigh-energyprotonradiographyissuperiortohigh-energyx-rayradiographyinpenetratingpower,materialcompositionidentificationandspatialresolution.ProtonradiographyistakenasaleadingcandidatefortheAdvancedHydrotestFacilitybytheUnitedStates.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（Manhattanproject）,并持續到現在,它一直用來獲取爆轟壓縮過程中材料內部的密度分布、整體壓縮的效果以及沖擊波穿過材料的傳播過程、演變和壓縮場的發展的靜止“凍結”圖像.這一過程非常類似于醫學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（DARHT）［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,一次實驗能從兩個垂直方向連續拍攝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,這是獲得三維數據的最小視軸數目,最多只能連續拍攝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.

研究人員希望實現對流體動力學試驗進行多角度(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明者的預料.后續的研究和實驗也確認了這項技術的潛在能力.據Morris回憶,20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，研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(PSR)的強脈沖產生中子,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將這些思想統一起來,利用高能質子束實現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代加速器具有產生高能質子和高強度質子的能力.促使發展質子照相技術最重要的一步是TomMottershead和JohnZumbro提出的質子照相所需的磁透鏡系統［4］,以及NickKing在武器應用中發展改進的快速成像探測系統［5］.

高能質子束為內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.

2質子與物質相互作用機制

高能質子與物質相互作用的機制是質子照相原理的基礎.首先,需要從質子與物質的相互作用出發，對質子在物質中的穿透性和散射過程進行分析研究.

所有質子都在被測物質內部并與其發生相互作用.質子與物質的相互作用分為強作用力和電磁作用力［6］.強作用力是短程力,質子與核的強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子保持其特性和動量,質子因受核力的強大作用,會偏轉很大角度,這種現象叫做核彈性散射（如果采用角度準直器,這部分貢獻可以忽略）；

如果是非彈性碰撞,質子被吸收,也就是說,損失大部分能量分裂核,產生亞原子粒子——π介子.當質子能量達到GeV量級,質子與原子核的強相互作用占主導地位.質子與物質原子核中的質子和中子發生非彈性核相互作用，造成質子束指數衰減，其衰減規律可表示為

NN0＝exp-∑ni=1liλi,(1)

其中N0,N分別為入射到被測物體上的質子通量和穿過被測物體的質子通量;λi和li分別為第i種材料的平均自由程和厚度.當質子能量達到GeV量級,核反應截面幾乎不變,單就穿透能力而言,質子能量達到GeV量級就足夠了.核反應截面不變有利于質子照相的密度重建,因為質子在客體中的散射過程可能導致質子能量發生變化.

由于質子帶電,它也通過長程電磁作用力與物質相互作用.當質子能量達到GeV量級時，電磁作用只能產生很小的能量損失和方向變化:

質子與原子核的庫侖力作用稱為彈性散射,穿過原子核的每個質子,即使和核并不接近,也能導致質子方向發生小的變化,每個小散射效應可以累積,這種現象叫做多重庫侖散射.多重庫侖散射的理論由EnricoFermi在20世紀30年代建立.質子與原子核之間的庫侖力作用發生多重庫侖散射,多重散射可以近似用高斯分布表示:

dNdΩ=12πθ20exp-θ22θ20,(2)

式中θ0為多次散射角的均方根值,可用下式表示:

θ0≈14.1pβΣniliRi,(3)

式中p為束動量,β是以光速為單位的速度,Ri是材料的輻射長度,其值近似地表示為

Ri=716AZ(Z+1)ln(287/Z),(4)

其中A是原子量,Z是原子序數.多重庫侖散射的結果很重要,特別是對重物質,最終導致圖像模糊.另一方面,因為Ri與材料的原子序數有關,也正是這個特性使質子照相具有識別材料組分的獨特能力［7］.

質子和電子之間也會產生庫侖力作用,通常是非彈性的.因為電子質量與質子相比很小,庫侖力的作用使電子方向和速度產生躍變,而對質子的方向和能量只產生緩變.也就是說,質子通過電離原子(把電子擊出軌道),損失小部分能量.這種作用不會導致質子運動方向大的改變,但會導致質子能量的減少.20世紀30年代著名的貝特-布洛赫(Bethe-Bloch)公式很好地解釋了這種機制.能量損失依賴于質子束能量,能量損失速率與它的動能成反比.質子束穿過厚度為l的材料時，能量損失為

ΔT=∫l0dTdldl≈dTdll.(5)

當質子能量達到GeV量級,dT/dl的值幾乎與動能無關.如果E和T以m0c2為單位，p以m0c為單位,則

E=T+1,E2=P2+1.(6)

因此,能量損失引起的動量分散為

δ=Δpp=dpdTΔTp=T+1T+2ΔTT.(7)

質子通過物體后損失能量,發生能量分散.磁透鏡對不同能量的質子聚焦位置不同,也將導致模糊,這就是所謂的色差［8］.

3質子照相原理

質子照相原理與X射線照相原理都是通過測量入射到被測物體上的粒子束衰減來確定被測物體的物理性質和幾何結構.

由于多重庫侖散射,穿過被照物體的質子束有不同的散射方向,形成一個相對于入射方向的錐形束,需要磁透鏡系統才能成像.如果質子照相的模糊效應持續存在的話,質子照相的潛力可能永遠不會被發掘出來.1995年,Morris發現磁透鏡能使質子聚焦進而消除模糊效應,最初進行的實驗證實了他的觀點的正確性.后來,LANL的另一位物理學家JohnZumbro改進了磁透鏡系統的設計方案,稱為Zumbro透鏡［4］.

Zumbro透鏡的主要優點是它的消色差能力.加速器產生質子束并非是單一能量的束流,實驗客體對質子的散射增加了質子能量的分散,不同能量的質子具有不同的焦距,導致圖像模糊.基于這樣的考慮,Zumbro采用在入射質子束的路徑上增加一個匹配透鏡(matchinglens),匹配透鏡的設計使得入射到被測物體上的質子束具有角度-位置關聯,即質子與透鏡光軸夾角與質子離軸的徑向距離成正比.而且,角度-位置的關聯系數與成像系統磁透鏡的設計有關［9］.這樣,可以消除由能量分散引起圖像模糊的主要色差項.

剩余的色差項為

x=-x0+Cxθ0δ,(8)

式中Cx為透鏡的色差系數，θ0為多重庫侖散射角，δ為動量的分散.由（3）式和（7）式可知,多重庫侖散射角和動量的分散都與入射質子的能量成反比.因此,為了盡可能減小色差對空間分辨率的影響,質子束的能量越高越好.高能量意味著大規模和高造價,根據空間分辨率隨能量的變化趨勢以及大尺度流體動力學試驗的精度要求,LANL為先進流體動力學試驗裝置(AHF)建議的質子能量為50GeV.

質子照相技術的關鍵之處在于其獨特的磁透鏡系統.圖1給出了LANL質子照相磁透鏡成像示意圖［10］.首先,質子束通過金屬薄片擴散,再經過匹配透鏡照射到客體(匹配透鏡除了減小色差以外,還可以使質子束在擊中物體前發散開來,以便覆蓋整個物體,避免了使用很厚的金屬作為擴束器),這部分稱為照射(illuminator)部分;接著是三個負恒等透鏡組,分別是監控（monitor）透鏡組、兩級成像透鏡組.

TomMottershead和JohnZumbro論證了可以根據庫侖散射角的不同，在透鏡系統的某個位置(傅里葉平面),可以將不同的散射質子束區分開來.在傅里葉平面,散射角等于0的質子位于中心,散射角越大,半徑越大.離開這個透鏡后,質子就能在空間上聚焦.如果在這個位置平面放置角度準直器,可以將某些散射角度的質子束準直掉,對允許的角度范圍進行積分,得到總質子通量為

NN0=exp-Σniliλiexp-θ2min2θ20-exp-θ2max2θ20.(9)

第一個角度準直器允許通過的角度范圍為［0，θ1cut］,則第一幅圖像接收到的質子通量為

NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ21cut2θ20.(10)

第二個角度準直器允許通過的角度范圍為［0,θ2cut］,且θ2cut<θ1cut,則第二幅圖像接收到的質子通量為

NN0=exp-Σniliλi1-exp-θ22cut2θ20.(11)

角度準直器的使用增加了圖像的對比度.根據物體的光程調節角度范圍,可獲得最佳的圖像對比度.通過分析兩幅圖像得到的數據,可以提供密度和材料組分的信息.

考慮到探測器記數服從泊松統計分布,面密度的測量精度要達到1%，則圖像平面上每個像素需要的入射質子數應為104,每幅圖像大約需要的質子數應為1011.如果一次流體動力學試驗需要獲得12個角度,每個角度20幅圖像,則每次加速的質子總數達3×1013個.4質子照相裝置

質子照相技術自1995年首次在美國LANL被論證以來,LANL和布魯克海文國家實驗室(BNL)進行了大量的實驗,其中很多次是和圣地亞（SNL）、勞倫斯•利弗莫爾（LLNL）以及英國原子武器研究機構（AWE）合作完成的,直接針對流體動力學有關的關鍵科學問題［11］.實驗主要分為兩部分:一是在LANL的洛斯•阿拉莫斯中子散射中心(LANSCE)上進行的小型動態實驗（質子能量800MeV）,小型動態實驗主要包括:高能炸藥的爆轟特性實驗、金屬和材料對強沖擊加載的復雜響應實驗（包括失效、不穩定性和微噴射等）以及驗證內爆過程后期的材料動力學和材料狀態的實驗；二是在BNL的交變同步加速器(AGS)上進行的用于診斷大尺度流體動力學試驗的高能質子照相實驗（質子能量12GeV或24GeV）.進行高能質子照相的目的是:發展高能質子照相所需技術,驗證采用質子照相進行大尺度流體動力學試驗的能力,以及與DARHT進行某些直接的比較.對于厚的流體動力學試驗客體而言,質子照相的質量遠好于DARHT的照相結果.如果DARHT要獲得同樣的照相細節,需將其劑量提高100倍.而且比照片質量更重要的是,質子照相具有定量的特性.質子照相因其低劑量、定量的密度重建、亞毫米空間分辨率以及超過每秒500萬幅的多幅照相頻率等特性而成為新一代流體動力學試驗閃光照相設施的必然選擇.

LANL為AHF建議的質子照相裝置包括質子束源、照相布局、磁透鏡成像及探測器系統,圖2給出了質子加速器和分束系統方案［12］.質子束源是一臺能量為50GeV的同步加速器和12條束線，包括一臺H-直線加速器注入器,一臺3GeV的增強器和一臺50GeV的主加速器.采用快速踢束調制器將質子束從3GeV增強器注入50GeV主加速器,經過同步傳輸系統和使用分束器將質子平均分成多個子束.最后從多個方向同時照射到實驗靶上.質子束穿過實驗靶后,磁透鏡系統對質子束信號進行分類,由探測系統記錄數據.實驗布局的復雜性都遠遠超出了閃光照相實驗.

圖2LANL的質子加速器和分束方案

LANL提出的質子照相裝置的主要指標:質子束能量達到50GeV,空間分辨率優于1mm,密度分辨率達到1%;每次加速的質子總數達3×1013個,每幅圖像的質子數達到1×1011個;每個脈沖的間隔最小為200ns,質子到達靶的前后誤差不超過15ns;每個視軸可連續提供20個脈沖,視軸數12個,覆蓋角度達165°.這樣,一次流體動力學試驗可獲得12個角度,每個角度20幅圖像.

2000年，LANL給出了發展質子照相的研究計劃.整個裝置預計投資20億美元,其中質子加速器系統使用原有的部分設備,需要5678.8萬美元.裝置的建造時間需要10到15年,分幾個階段進行:2007年前,建造50GeV同步加速器、2個軸成像系統和靶室1;2008—2009年,建造3MeV增強器（booster）、4個軸成像系統和靶室2;2010—2011年,8—12個軸成像系統.從目前的調研情況來看,原計劃2007年前完成的任務沒能按期完成.因此,這個計劃要推遲.最新的研究計劃未見報道.

5質子照相與X射線照相的比較

我們通過與現有最好的流體動力學試驗裝置——DARHT比較來說明質子照相的特點和優勢［13］.

(1)三維動態照相.由于質子加速器固有的多脈沖能力和質子束分離技術,因此,質子照相能夠提供多個時刻、多個方向的三維動態過程圖像.質子照相能夠提供超過20幅的圖像,這種多幅能力可得到內爆運動過程的動態圖像.而DARHT沿一個軸只能得到4幅圖像，沿其垂直軸得到1幅圖像.另外,質子照相不需要轉換靶,保證了多次連續照相不受影響，而X射線照相由于需要轉換靶,需要考慮束斑的影響.

(2)精細結構分辨.高能質子穿透能力強,其穿透深度和流體動力學試驗模型達到理想匹配.相比之下,X射線只有在4MeV能量時才能達到最大圖像對比度,此時其穿透能力只有高能質子的1/10.質子照相能測定密度細微變化的另一個理由是質子散射能得到控制.散射質子可以被聚焦形成視覺上無背景、對比鮮明的圖像.而實驗客體對X射線形成的大角度散射無法控制，降低了照相的精度和靈敏度.

(3)質子對密度和材料都比較敏感,可以分辨密度差別不大的兩種物質.實際上,質子散射的利大于弊,它能用于識別物質的化學組成.利用兩個相同的磁透鏡系統和不同孔徑準直器串聯組成的兩級成像系統,通過對兩種不同準直孔徑得到的數據進行分析,可以提供材料的密度和組分信息.而X射線只對密度敏感,故分辨不出密度差別不大的兩種物質.

(4)曝光時間可調.質子加速器能夠產生持續時間為100ps、間隔為5ns的“微小脈沖束”,每幅圖像可用8—20個脈沖的時間進行曝光.因此,質子照相可任意選定曝光時間和間隔.內爆初期，研究人員可以選擇較長的曝光時間和間隔,對較慢的運動進行連續式“凍結”照相.當內爆速度變快時,可以縮短曝光時間.DARHT的脈沖時間由電路決定,一旦脈沖的時間間隔和持續時間固定,只能以固定的時間間隔照相,研究人員只能指定第一幅圖像的時間.

(5)探測效率高.質子是帶電粒子,直接與探測介質中的電子相互作用產生信號,因此,很薄的探測器就能將質子探測出來.如此薄的探測介質接收不到被探測客體中產生的中子和γ光子.

(6)空間分辨率高.X射線照相是X射線穿過樣品打到閃爍體或底片成像,沒有聚焦過程(事實上，對4MeV的X射線還沒有聚焦辦法),圖像的空間分辨率由光源的尺寸(焦斑)決定.質子散射雖然也會引起圖像模糊,但質子散射是可控的,可以通過磁透鏡聚焦成像.磁透鏡不僅能聚焦質子,而且能減小次級粒子的模糊效應.但不同能量質子的聚焦不同,也將導致模糊.Zumbro改進了透鏡系統,消色差提高了圖像品質.對于小尺寸物體的靜態質子照相,空間分辨率可到100μm,最近的質子照相實驗已達到15μm,并有達到1.2μm的潛力.

6結束語

質子照相是美國國防研究與基礎科學相結合而誕生的高度多用性的發明.質子照相若不是與國防基礎研究共同立項，也絕不會有如今的發展.雄厚的武器實驗基礎能持續提供人員和創新技術.質子照相極大地提高了流體動力學試驗的測量能力.它所具有的高分辨率能夠精細辨別內爆壓縮的細節,多角度照相有利于建立完整的流體動力學模型,多幅連續照相更加容易判斷沖擊波和混合物隨時間變化的情況.近年來,科學家們加緊了對高能質子照相的研究.目前,X射線照相仍然是流體動力學試驗的主要設備.總有一天,質子照相將代替X射線照相并對流體動力學試驗進行充分解釋.

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