【摘要】：離子束、電子束和激光等與原子、分子、團(tuán)簇以及固體靶相互作用的過程中,會產(chǎn)生各種次級粒子,包括光子、電子以及帶電和處于不同激發(fā)態(tài)的中性原子和分子等。這些二次粒子攜帶了入射粒子與靶物質(zhì)相互作用動力學(xué)的豐富信息。實驗中,往往通過各種譜儀測量帶電粒子的能譜和角分布。動量空間計算成像(Momentum Computed Tomography,MCT)是本課題組提出的一種新型譜儀理論。譜儀電磁場將帶電粒子動量投影到位置靈敏探測器上,給出一系列位置譜;進(jìn)而可通過數(shù)值重建由位置譜得到粒子動量分布。本工作豐富和完善了MCT投影理論的連續(xù)和離散化形式。首先根據(jù)直觀的某積分區(qū)域與粒子動量空間的交疊圖像,將原有連續(xù)投影理論寫為一種更簡潔明了的形式,然后通過定義積分測量和投影,將其建立在嚴(yán)格的概率分析上。在此基礎(chǔ)上,本工作完善了MCT在多種帶電粒子測量和有限碰撞區(qū)域情況下的修正,進(jìn)而對強(qiáng)場近似做了更多的討論。論文給出了粒子動量空間和位置譜數(shù)據(jù)離散化的清晰圖像,進(jìn)而建立了測量的泊松統(tǒng)計模型。在明確了后驗最大化方法與懲罰加權(quán)最小二乘法的關(guān)系后,通過研究MCT測量過程中的抽樣特點,本工作進(jìn)而根據(jù)壓縮感知理論發(fā)展了基于二階三維廣義總方差正則化的一種非精確交替方向乘子方法,以求解動量重建問題。本工作搭建了MCT數(shù)據(jù)處理程序,即動量空間計算成像迭代重建框架(Momentum Computed Tomography Iterative Reconstruction Framework,MCTIRF)。它是用C++語言編寫的,由一系列數(shù)據(jù)類型組成。其中矩陣模板類承擔(dān)了重建計算的大部分計算任務(wù),并采用了OpenMP并行技術(shù)和稀疏矩陣技術(shù)以優(yōu)化計算速度。直方圖類集成了MCT數(shù)據(jù)處理需要的一些特殊方法,如直方圖的疊加和切片分布等。譜儀模擬類可以計算帶電粒子在電磁場中的飛行軌跡和位置譜,也可以計算其動量空間中的積分曲線;它們可供數(shù)值實驗使用,進(jìn)而為算法研究和在線實驗的測量方案提供參考。MCTIRF的投影類計算投影矩陣。不同的重建算法也可以方便地以重建類型集成到當(dāng)前的程序框架中。本工作設(shè)計加工了世界上第一臺MCT譜儀。譜儀包括譜儀支架,陣列電極和一個?106 mm的二維位置靈敏微通道板探測器。譜儀靶架與各個電極片和探測器靈敏面由一系列高精度電阻連接。實驗中將探測器外殼接地,并給靶架提供一定的電勢,則可在兩者之間產(chǎn)生均勻靜電場,此電場將實驗中產(chǎn)生的帶電粒子由碰撞點牽引到探測器中。MCP探測器集成了本工作研制的雙層條帶陣列二維阻性陽極和譜儀放大器。本工作對陽極和譜儀放大器參數(shù)進(jìn)行了反復(fù)調(diào)試,以使其協(xié)調(diào)工作,并適配MCP的增益狀態(tài)。測試期間探測器計數(shù)率平均為160 Hz,位置分辨可以達(dá)到0.38 mm。實驗期間探測器計數(shù)率約1 kHz,信號重疊率約2%。根據(jù)當(dāng)前譜儀參數(shù),本工作進(jìn)而基于MCTIRF對C~+、C_2~+、和C~(2+)離子的動量分布進(jìn)行了模擬測量和重建。數(shù)值實驗中使用自適應(yīng)最速下降-凸集投影算法和本工作發(fā)展的非精確交替方向乘子方法對離子動量進(jìn)行了重建,比較了不同測量方案下單種離子與多種離子動量分布的重建效果,從而驗證了MCT理論,并且說明了該非精確交替方向乘子算法優(yōu)越的收斂性,以及MCTIRF的較好的穩(wěn)定性和計算效率。本工作進(jìn)而討論了重建粒子種類和動量空間參數(shù)未知時的重建情況。數(shù)值實驗為在線實驗測量提供了參考。本工作在中國科學(xué)院近代物理研究所EBIS超低能重離子實驗室完成了譜儀的測試實驗。實驗中,15 keV的Ar~+以相對于固體靶表面法線方向60°入射角的方向打到高定向熱解石墨的解理面上。實驗中測量得到一系列濺射正離子位置譜,并對C~+和C_2~+離子動量分布進(jìn)行了重建,得到了物理反應(yīng)的一些定性結(jié)論。更細(xì)致的物理分析仍然要求譜儀與探測器測量精度以及重建算法收斂性的進(jìn)一步提高。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院近代物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O562
【圖文】：

第 1 章 引言（一般在 keV 附近或更低）；外加的約束電磁場不可能兼顧快電子和慢電能保證電子收集率，因此以探測電子作為時間測量的起始信號也有困難。應(yīng)譜儀的思路直接應(yīng)用于高能重離子儲存環(huán)是有困難的。此外，原則上說射線－光子符合或者 X 射線－電子符合測量有可能得到雙重非彈性碰撞證據(jù)，但 X 射線和低能光子的探測立體角很�。é�/4π~10-5），與 X 射線量效率會很低，實際上也是行不通的。

第 1 章 引言產(chǎn)生高溫稠密等離子體，并伴隨大量濺射離子發(fā)射稠密等離子體是一種遠(yuǎn)離平衡態(tài)的，伴有劇烈碰撞動體系[45]。處于脈沖尾部的炮彈是在與這種瞬態(tài)高溫稠這一過程已超出了傳統(tǒng)離子與等離子體相互作用理強(qiáng)脈沖誘發(fā)的離子發(fā)射是由炮彈的集體效應(yīng)（Colle單離子濺射模型是無法描述該過程的。從統(tǒng)計上看管溫度的熱力學(xué)定義失效，但由于濺射離子的動量分息，可以用濺射離子動量空間中的分布函數(shù)來描述處物質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)，這是測量高溫稠密等離子體離子溫子在高溫稠密等離子體中能損機(jī)制的重要途徑[52,53]

第 1 章 引言1.3 動量空間計算成像2011 年 9 月 21 日到 23 日在中國科學(xué)院近代物理研究所召開的重離子阻止國際研討會（International Conference on Heavy Ion Stopping, HIS）上中國科學(xué)院近代物理研究所于得洋研究員提出了動量空間計算成像（Momentum ComputTomography of Charged Particles, MCT）理論。

本文編號：2788830