本文關(guān)鍵詞：高能質(zhì)子照相束線的模擬設(shè)計與成像特性的初步研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：1895年倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線并隨即開展了X射線成像技術(shù)研究,射線成像技術(shù)從此誕生。經(jīng)過多年的研究與發(fā)展,射線成像技術(shù)已發(fā)展為包括X射線、中子、μ子、帶電粒子等多種粒子成像,成像方式也得到了拓展,出現(xiàn)了靜態(tài)成像、斷層掃描成像、三維成像、多軸動態(tài)成像等多種形式。其應(yīng)用范圍涵蓋了醫(yī)學(xué)、物理、考古、軍工等多個領(lǐng)域�；诒Z壓縮過程中材料內(nèi)部的密度分布、結(jié)構(gòu)變化、巨大沖擊波在材料中的傳播和演變過程的靜止、動態(tài)圖像獲取的應(yīng)用需求,已發(fā)展了高能X射線閃光照相技術(shù),但閃光照相技術(shù)仍然存在無法解決的缺陷,如：散射問題,束斑尺寸問題,穿透率問題等。與閃光照使用的X射線相比,高能質(zhì)子(或其它帶電離子)有著穿透能力強(qiáng)、聚焦傳輸方便、探測效率高、曝光時間短等顯著優(yōu)勢,理論上能獲取更高質(zhì)量的圖像。高能質(zhì)子(或其它帶電離子)照相作為高能X射線閃光照相的補(bǔ)充和成像技術(shù)的新發(fā)展,近年來已成為被廣泛關(guān)注和研究的前沿課題。基于中科院近代物理研究所(IMP-CAS)的重離子加速器冷卻儲存環(huán)(HIRFL-CSR)裝置,擬建造一條透鏡聚焦型高能質(zhì)子照相束線,本論文針對以上課題工作開展了以下幾個方面的研究。針對高能質(zhì)子照相中的所涉及的基本問題,研究了高能質(zhì)子穿越物質(zhì)時與核外電子的庫侖相互作用、與原子核的庫侖相互作用、與原子核發(fā)生的強(qiáng)相互作用等基本理論；總結(jié)了直接透視型質(zhì)子照相技術(shù)和磁透鏡聚焦質(zhì)子照相技術(shù)的基本原理,分析了直接透視型質(zhì)子照相、磁透鏡聚焦質(zhì)子照相的優(yōu)缺點(diǎn)。重點(diǎn)研究了Zumbro透鏡成像、兩次磁透鏡聚焦成像等磁透鏡聚焦質(zhì)子照相所涉計的相關(guān)理論,并對磁透鏡聚焦質(zhì)子照相系統(tǒng)的空間分辨、密度分辨、質(zhì)子通量要求等重要參數(shù)的計算方法進(jìn)行研究�；贕eant4工具包,開發(fā)了用于高能質(zhì)子在擴(kuò)束器中的輸運(yùn)和直接透射成像模擬的程序G4pRad。模擬研究1GeV高能質(zhì)子在W、Ta、Cu三種備選擴(kuò)束器材料中的輸運(yùn),給出透射質(zhì)子束通量不均勻度、質(zhì)子利用率、質(zhì)子平均散射角、質(zhì)子能損等參數(shù)隨厚度的變化關(guān)系,總結(jié)了相關(guān)規(guī)律；同時,對單位質(zhì)量面密度下,三種材料的質(zhì)子利用率、質(zhì)子平均散射角、質(zhì)子能損等進(jìn)行了對比和分析。根據(jù)模擬結(jié)果并考慮材料的物理性質(zhì),推薦W或Ta作為擴(kuò)束器材料,對1GeV高能入射質(zhì)子束,如果擴(kuò)束器材料為W或Ta,其適宜厚度應(yīng)該選在2-5cm區(qū)間。建立了柱狀鐵樣品和FTO模型樣品模型,開展了直接透射型質(zhì)子照相的模擬測試研究。模擬結(jié)果顯示,直接透射型質(zhì)子成像將會得到一個放大的圖像,圖像的放大倍數(shù)與幾何布置密切相關(guān)。柱狀鐵樣品的模擬測試圖像顯示,孔洞邊緣空間分辨率可達(dá)到約63μm;FTO模型樣品圖像雖然較清晰顯示了不同物質(zhì)之間的邊界,但由于多次庫侖散射影響嚴(yán)重,還無法求得不同密度材料之間分界面的空間分辨。要實(shí)現(xiàn)高分辨率,必須引入磁透鏡系統(tǒng)進(jìn)行透鏡聚焦成像,以消除多次庫侖散射帶來的影響。根據(jù)蘭州近代物理所擬在CSR上建設(shè)高能質(zhì)子聚焦成像實(shí)驗(yàn)終端的課題需求,采用WINANGILE、My-BOC、G4beamline和Geant4等程序,通過對質(zhì)子束線束流傳輸系統(tǒng)中束流光學(xué)參數(shù)的模擬,完成了2.6GeV高能質(zhì)子透鏡聚焦型照相束線的物理設(shè)計,該系統(tǒng)由匹配透鏡組、樣品、成像聚焦透鏡組和探測器系統(tǒng)等部分組成,通過模擬給出了束線各元件的設(shè)計參數(shù)。利用G4beamline和Geant4軟件包,開發(fā)了包含質(zhì)子與物質(zhì)相互作用各種物理過程的蒙特卡羅模擬程序,采用所開發(fā)的蒙特卡羅模擬程序,在不放置樣品的條件下,開展了所設(shè)計的質(zhì)子照相束線束傳輸狀態(tài)的M-C模擬,通過與WINAGILE和My-BOC程序模擬數(shù)據(jù)對比,驗(yàn)證了所開發(fā)M-C程序的可靠性,同時進(jìn)一步檢驗(yàn)了所設(shè)計的高能質(zhì)子磁透鏡聚焦照相束線的合理性。利用所開發(fā)的蒙特卡羅模擬程序,開展了FTO模型樣品、鋁盤開孔樣品、銅臺階樣品的模擬成像測試研究。結(jié)果顯示：(1)對鋁盤開孔樣品,樣品結(jié)構(gòu)清晰,最佳空間分辨可達(dá)到36μm;(2)對臺階樣品成像,計算并比較了圖像臺階的厚度與真實(shí)值的差異,計算得到的面密度分辨最小誤差好于2%;(3)對FTO模型樣品,計算得到W與Cu的分界面分辨率為153μm,分界面位置與實(shí)際位置相同,結(jié)果好于直接透射質(zhì)子照相對FTO模型樣品的成像結(jié)果。針對近物所HIRFL-CSR上的重離子照相實(shí)驗(yàn)終端,使用蒙卡軟件G4beamline對質(zhì)子在其終端束線的傳輸進(jìn)行了模擬,并放置鋁盤開孔樣品模擬測試了成像效果,根據(jù)模擬數(shù)據(jù)計算成像結(jié)果對孔洞邊緣的空間分辨率為54μmm。利用近物所HIRFL-CSR上的重離子照相實(shí)驗(yàn)終端分別對鋁盤開孔樣品和臺階樣品進(jìn)行了兩次重離子照相實(shí)驗(yàn),照相粒子使用C6+離子,能量分別為600MeV/u和300MeV/u。對于開孔樣品,孔洞位置和尺寸形狀能夠清晰分辨,其邊緣空間分辨率為90μmm。在對臺階樣品照相時,遇到了來自束流和探測器系統(tǒng)的種種問題,從照片結(jié)果中無法分辨臺階樣品結(jié)構(gòu),通過處理能夠分辨各臺階,但無法計算其空間分辨率。需要對實(shí)驗(yàn)步驟做出進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)。
【關(guān)鍵詞】：質(zhì)子/離子照相 Zumbro透鏡系統(tǒng) Monte Carlo模擬 成像分辨率 成相束流線
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O434.1
【目錄】：

• 摘要3-6
• Abstract6-12
• 第一章 引言12-34
• 1.1 射線成像的發(fā)展歷史12-18
• 1.1.1 X射線成像技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用12-14
• 1.1.2 其它射線成像技術(shù)的發(fā)展14-18
• 1.2 質(zhì)子照相的研究背景及質(zhì)子照相技術(shù)的類型18-26
• 1.2.1 質(zhì)子照相的研究背景及必要性18-21
• 1.2.2 質(zhì)子照相技術(shù)的類型21-26
• 1.3 質(zhì)子照相技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀26-31
• 1.3.1 國際研究現(xiàn)狀26-30
• 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀30-31
• 1.4 CSR裝置簡介及發(fā)展高能質(zhì)子照相束線的設(shè)想31-32
• 1.5 研究內(nèi)容32-34
• 第二章 高能質(zhì)子照相原理及相關(guān)理論基礎(chǔ)34-45
• 2.1 質(zhì)子與物質(zhì)的相互作用34-36
• 2.1.1 質(zhì)子與核外電子的庫侖相互作用34-35
• 2.1.2 質(zhì)子與原子核庫侖場的相互作用35
• 2.1.3 質(zhì)子與原子核的強(qiáng)相互作用35-36
• 2.2 質(zhì)子照相的原理36-44
• 2.2.1 直接透射型照相36-37
• 2.2.2 磁透鏡聚焦型照相37-42
• 2.2.3 質(zhì)子照相空間分辨率計算理論42-43
• 2.2.4 放大成像透鏡系統(tǒng)43-44
• 2.3 探測器系統(tǒng)44
• 2.4 總結(jié)44-45
• 第三章 擴(kuò)束器的模擬研究及直接透射照相的模擬測試45-67
• 3.1 Geant4程序簡介45-50
• 3.1.1 蒙特卡洛方法介紹45-46
• 3.1.2 Geant4工具包介紹46-47
• 3.1.3 Geant4模塊功能簡介47-48
• 3.1.4 Geant4的設(shè)計構(gòu)思和體系結(jié)構(gòu)48-50
• 3.2 擴(kuò)束器的模擬研究與設(shè)計50-61
• 3.2.1 擴(kuò)束器的理論計算50-51
• 3.2.2 Geant4模擬模型建立與程序開發(fā)51-53
• 3.2.3 模擬結(jié)果及討論53-61
• 3.2.4 小結(jié)61
• 3.3 直接透射型照相測試61-66
• 3.3.1 模擬模型的建立61-62
• 3.3.2 模擬成像結(jié)果及討論62-66
• 3.4 總結(jié)66-67
• 第四章 透鏡聚焦高能質(zhì)子照相束流線的模擬與物理設(shè)計67-89
• 4.1 模擬程序簡介67-68
• 4.1.1 WINAGILE程序67
• 4.1.2 My-BOC程序67
• 4.1.3 G4beamline程序67-68
• 4.2 透鏡聚焦型高能質(zhì)子照相系統(tǒng)的模擬研究與物理設(shè)計68-77
• 4.2.1 匹配透鏡組的優(yōu)化設(shè)計69-71
• 4.2.2 聚焦成像透鏡的優(yōu)化設(shè)計71-74
• 4.2.3 高能質(zhì)子聚焦成像系統(tǒng)的蒙特卡洛模擬74-77
• 4.3 質(zhì)子照相束流線的模擬與成像測試77-87
• 4.3.1 物理模型的建立77-78
• 4.3.2 幾何模型的建立78
• 4.3.3 模擬結(jié)果及其討論78-87
• 4.3.4 小結(jié)87
• 4.4 總結(jié)87-89
• 第五章 重離子照相束線的模擬及初步成像實(shí)驗(yàn)研究89-101
• 5.1 重離子照相束流線的模擬90-95
• 5.1.1 幾何及物理模型的建立90-93
• 5.1.2 模擬結(jié)果及討論93-95
• 5.2 重離子照相實(shí)驗(yàn)及討論95-99
• 5.2.1 鋁盤開孔模型照相實(shí)驗(yàn)及討論95-96
• 5.2.2 臺階樣品實(shí)驗(yàn)及討論96-99
• 5.3 總結(jié)99-101
• 第六章 總結(jié)與展望101-105
• 6.1 總結(jié)101-102
• 6.2 展望102-105
• 參考文獻(xiàn)105-111
• 在學(xué)期間的研究成果111-112
• 致謝112

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前7條

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  本文關(guān)鍵詞：高能質(zhì)子照相束線的模擬設(shè)計與成像特性的初步研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：265162