动量空间计算成像

发布时间：2020-08-11 08:21

【摘要】：离子束、电子束和激光等与原子、分子、团簇以及固体靶相互作用的过程中,会产生各种次级粒子,包括光子、电子以及带电和处于不同激发态的中性原子和分子等。这些二次粒子携带了入射粒子与靶物质相互作用动力学的丰富信息。实验中,往往通过各种谱仪测量带电粒子的能谱和角分布。动量空间计算成像(Momentum Computed Tomography,MCT)是本课题组提出的一种新型谱仪理论。谱仪电磁场将带电粒子动量投影到位置灵敏探测器上,给出一系列位置谱;进而可通过数值重建由位置谱得到粒子动量分布。本工作丰富和完善了MCT投影理论的连续和离散化形式。首先根据直观的某积分区域与粒子动量空间的交叠图像,将原有连续投影理论写为一种更简洁明了的形式,然后通过定义积分测量和投影,将其建立在严格的概率分析上。在此基础上,本工作完善了MCT在多种带电粒子测量和有限碰撞区域情况下的修正,进而对强场近似做了更多的讨论。论文给出了粒子动量空间和位置谱数据离散化的清晰图像,进而建立了测量的泊松统计模型。在明确了后验最大化方法与惩罚加权最小二乘法的关系后,通过研究MCT测量过程中的抽样特点,本工作进而根据压缩感知理论发展了基于二阶三维广义总方差正则化的一种非精确交替方向乘子方法,以求解动量重建问题。本工作搭建了MCT数据处理程序,即动量空间计算成像迭代重建框架(Momentum Computed Tomography Iterative Reconstruction Framework,MCTIRF)。它是用C++语言编写的,由一系列数据类型组成。其中矩阵模板类承担了重建计算的大部分计算任务,并采用了OpenMP并行技术和稀疏矩阵技术以优化计算速度。直方图类集成了MCT数据处理需要的一些特殊方法,如直方图的叠加和切片分布等。谱仪模拟类可以计算带电粒子在电磁场中的飞行轨迹和位置谱,也可以计算其动量空间中的积分曲线;它们可供数值实验使用,进而为算法研究和在线实验的测量方案提供参考。MCTIRF的投影类计算投影矩阵。不同的重建算法也可以方便地以重建类型集成到当前的程序框架中。本工作设计加工了世界上第一台MCT谱仪。谱仪包括谱仪支架,阵列电极和一个?106 mm的二维位置灵敏微通道板探测器。谱仪靶架与各个电极片和探测器灵敏面由一系列高精度电阻连接。实验中将探测器外壳接地,并给靶架提供一定的电势,则可在两者之间产生均匀静电场,此电场将实验中产生的带电粒子由碰撞点牵引到探测器中。MCP探测器集成了本工作研制的双层条带阵列二维阻性阳极和谱仪放大器。本工作对阳极和谱仪放大器参数进行了反复调试,以使其协调工作,并适配MCP的增益状态。测试期间探测器计数率平均为160 Hz,位置分辨可以达到0.38 mm。实验期间探测器计数率约1 kHz,信号重叠率约2%。根据当前谱仪参数,本工作进而基于MCTIRF对C~+、C_2~+、和C~(2+)离子的动量分布进行了模拟测量和重建。数值实验中使用自适应最速下降-凸集投影算法和本工作发展的非精确交替方向乘子方法对离子动量进行了重建,比较了不同测量方案下单种离子与多种离子动量分布的重建效果,从而验证了MCT理论,并且说明了该非精确交替方向乘子算法优越的收敛性,以及MCTIRF的较好的稳定性和计算效率。本工作进而讨论了重建粒子种类和动量空间参数未知时的重建情况。数值实验为在线实验测量提供了参考。本工作在中国科学院近代物理研究所EBIS超低能重离子实验室完成了谱仪的测试实验。实验中,15 keV的Ar~+以相对于固体靶表面法线方向60°入射角的方向打到高定向热解石墨的解理面上。实验中测量得到一系列溅射正离子位置谱,并对C~+和C_2~+离子动量分布进行了重建,得到了物理反应的一些定性结论。更细致的物理分析仍然要求谱仪与探测器测量精度以及重建算法收敛性的进一步提高。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O562
【图文】：

第 1 章 引言（一般在 keV 附近或更低）；外加的约束电磁场不可能兼顾快电子和慢电能保证电子收集率，因此以探测电子作为时间测量的起始信号也有困难。应谱仪的思路直接应用于高能重离子储存环是有困难的。此外，原则上说射线－光子符合或者 X 射线－电子符合测量有可能得到双重非弹性碰撞证据，但 X 射线和低能光子的探测立体角很小（Ω/4π~10-5），与 X 射线量效率会很低，实际上也是行不通的。

第 1 章 引言产生高温稠密等离子体，并伴随大量溅射离子发射稠密等离子体是一种远离平衡态的，伴有剧烈碰撞动体系[45]。处于脉冲尾部的炮弹是在与这种瞬态高温稠这一过程已超出了传统离子与等离子体相互作用理强脉冲诱发的离子发射是由炮弹的集体效应（Colle单离子溅射模型是无法描述该过程的。从统计上看管温度的热力学定义失效，但由于溅射离子的动量分息，可以用溅射离子动量空间中的分布函数来描述处物质热力学性质，这是测量高温稠密等离子体离子温子在高温稠密等离子体中能损机制的重要途径[52,53]

第 1 章 引言1.3 动量空间计算成像2011 年 9 月 21 日到 23 日在中国科学院近代物理研究所召开的重离子阻止国际研讨会（International Conference on Heavy Ion Stopping, HIS）上中国科学院近代物理研究所于得洋研究员提出了动量空间计算成像（Momentum ComputTomography of Charged Particles, MCT）理论。

本文编号：2788830