高能质子照相束线的模拟设计与成像特性的初步研究

发布时间：2017-03-24 06:05

  本文关键词：高能质子照相束线的模拟设计与成像特性的初步研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：1895年伦琴发现了X射线并随即开展了X射线成像技术研究,射线成像技术从此诞生。经过多年的研究与发展,射线成像技术已发展为包括X射线、中子、μ子、带电粒子等多种粒子成像,成像方式也得到了拓展,出现了静态成像、断层扫描成像、三维成像、多轴动态成像等多种形式。其应用范围涵盖了医学、物理、考古、军工等多个领域。基于爆轰压缩过程中材料内部的密度分布、结构变化、巨大冲击波在材料中的传播和演变过程的静止、动态图像获取的应用需求,已发展了高能X射线闪光照相技术,但闪光照相技术仍然存在无法解决的缺陷,如：散射问题,束斑尺寸问题,穿透率问题等。与闪光照使用的X射线相比,高能质子(或其它带电离子)有着穿透能力强、聚焦传输方便、探测效率高、曝光时间短等显著优势,理论上能获取更高质量的图像。高能质子(或其它带电离子)照相作为高能X射线闪光照相的补充和成像技术的新发展,近年来已成为被广泛关注和研究的前沿课题。基于中科院近代物理研究所(IMP-CAS)的重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)装置,拟建造一条透镜聚焦型高能质子照相束线,本论文针对以上课题工作开展了以下几个方面的研究。针对高能质子照相中的所涉及的基本问题,研究了高能质子穿越物质时与核外电子的库仑相互作用、与原子核的库仑相互作用、与原子核发生的强相互作用等基本理论；总结了直接透视型质子照相技术和磁透镜聚焦质子照相技术的基本原理,分析了直接透视型质子照相、磁透镜聚焦质子照相的优缺点。重点研究了Zumbro透镜成像、两次磁透镜聚焦成像等磁透镜聚焦质子照相所涉计的相关理论,并对磁透镜聚焦质子照相系统的空间分辨、密度分辨、质子通量要求等重要参数的计算方法进行研究。基于Geant4工具包,开发了用于高能质子在扩束器中的输运和直接透射成像模拟的程序G4pRad。模拟研究1GeV高能质子在W、Ta、Cu三种备选扩束器材料中的输运,给出透射质子束通量不均匀度、质子利用率、质子平均散射角、质子能损等参数随厚度的变化关系,总结了相关规律；同时,对单位质量面密度下,三种材料的质子利用率、质子平均散射角、质子能损等进行了对比和分析。根据模拟结果并考虑材料的物理性质,推荐W或Ta作为扩束器材料,对1GeV高能入射质子束,如果扩束器材料为W或Ta,其适宜厚度应该选在2-5cm区间。建立了柱状铁样品和FTO模型样品模型,开展了直接透射型质子照相的模拟测试研究。模拟结果显示,直接透射型质子成像将会得到一个放大的图像,图像的放大倍数与几何布置密切相关。柱状铁样品的模拟测试图像显示,孔洞边缘空间分辨率可达到约63μm;FTO模型样品图像虽然较清晰显示了不同物质之间的边界,但由于多次库仑散射影响严重,还无法求得不同密度材料之间分界面的空间分辨。要实现高分辨率,必须引入磁透镜系统进行透镜聚焦成像,以消除多次库仑散射带来的影响。根据兰州近代物理所拟在CSR上建设高能质子聚焦成像实验终端的课题需求,采用WINANGILE、My-BOC、G4beamline和Geant4等程序,通过对质子束线束流传输系统中束流光学参数的模拟,完成了2.6GeV高能质子透镜聚焦型照相束线的物理设计,该系统由匹配透镜组、样品、成像聚焦透镜组和探测器系统等部分组成,通过模拟给出了束线各元件的设计参数。利用G4beamline和Geant4软件包,开发了包含质子与物质相互作用各种物理过程的蒙特卡罗模拟程序,采用所开发的蒙特卡罗模拟程序,在不放置样品的条件下,开展了所设计的质子照相束线束传输状态的M-C模拟,通过与WINAGILE和My-BOC程序模拟数据对比,验证了所开发M-C程序的可靠性,同时进一步检验了所设计的高能质子磁透镜聚焦照相束线的合理性。利用所开发的蒙特卡罗模拟程序,开展了FTO模型样品、铝盘开孔样品、铜台阶样品的模拟成像测试研究。结果显示：(1)对铝盘开孔样品,样品结构清晰,最佳空间分辨可达到36μm;(2)对台阶样品成像,计算并比较了图像台阶的厚度与真实值的差异,计算得到的面密度分辨最小误差好于2%;(3)对FTO模型样品,计算得到W与Cu的分界面分辨率为153μm,分界面位置与实际位置相同,结果好于直接透射质子照相对FTO模型样品的成像结果。针对近物所HIRFL-CSR上的重离子照相实验终端,使用蒙卡软件G4beamline对质子在其终端束线的传输进行了模拟,并放置铝盘开孔样品模拟测试了成像效果,根据模拟数据计算成像结果对孔洞边缘的空间分辨率为54μmm。利用近物所HIRFL-CSR上的重离子照相实验终端分别对铝盘开孔样品和台阶样品进行了两次重离子照相实验,照相粒子使用C6+离子,能量分别为600MeV/u和300MeV/u。对于开孔样品,孔洞位置和尺寸形状能够清晰分辨,其边缘空间分辨率为90μmm。在对台阶样品照相时,遇到了来自束流和探测器系统的种种问题,从照片结果中无法分辨台阶样品结构,通过处理能够分辨各台阶,但无法计算其空间分辨率。需要对实验步骤做出进一步的优化和改进。
【关键词】：质子/离子照相 Zumbro透镜系统 Monte Carlo模拟 成像分辨率 成相束流线
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O434.1
【目录】：

• 摘要3-6
• Abstract6-12
• 第一章 引言12-34
• 1.1 射线成像的发展历史12-18
• 1.1.1 X射线成像技术的发展及应用12-14
• 1.1.2 其它射线成像技术的发展14-18
• 1.2 质子照相的研究背景及质子照相技术的类型18-26
• 1.2.1 质子照相的研究背景及必要性18-21
• 1.2.2 质子照相技术的类型21-26
• 1.3 质子照相技术的国内外研究现状26-31
• 1.3.1 国际研究现状26-30
• 1.3.2 国内研究现状30-31
• 1.4 CSR装置简介及发展高能质子照相束线的设想31-32
• 1.5 研究内容32-34
• 第二章 高能质子照相原理及相关理论基础34-45
• 2.1 质子与物质的相互作用34-36
• 2.1.1 质子与核外电子的库仑相互作用34-35
• 2.1.2 质子与原子核库仑场的相互作用35
• 2.1.3 质子与原子核的强相互作用35-36
• 2.2 质子照相的原理36-44
• 2.2.1 直接透射型照相36-37
• 2.2.2 磁透镜聚焦型照相37-42
• 2.2.3 质子照相空间分辨率计算理论42-43
• 2.2.4 放大成像透镜系统43-44
• 2.3 探测器系统44
• 2.4 总结44-45
• 第三章 扩束器的模拟研究及直接透射照相的模拟测试45-67
• 3.1 Geant4程序简介45-50
• 3.1.1 蒙特卡洛方法介绍45-46
• 3.1.2 Geant4工具包介绍46-47
• 3.1.3 Geant4模块功能简介47-48
• 3.1.4 Geant4的设计构思和体系结构48-50
• 3.2 扩束器的模拟研究与设计50-61
• 3.2.1 扩束器的理论计算50-51
• 3.2.2 Geant4模拟模型建立与程序开发51-53
• 3.2.3 模拟结果及讨论53-61
• 3.2.4 小结61
• 3.3 直接透射型照相测试61-66
• 3.3.1 模拟模型的建立61-62
• 3.3.2 模拟成像结果及讨论62-66
• 3.4 总结66-67
• 第四章 透镜聚焦高能质子照相束流线的模拟与物理设计67-89
• 4.1 模拟程序简介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 透镜聚焦型高能质子照相系统的模拟研究与物理设计68-77
• 4.2.1 匹配透镜组的优化设计69-71
• 4.2.2 聚焦成像透镜的优化设计71-74
• 4.2.3 高能质子聚焦成像系统的蒙特卡洛模拟74-77
• 4.3 质子照相束流线的模拟与成像测试77-87
• 4.3.1 物理模型的建立77-78
• 4.3.2 几何模型的建立78
• 4.3.3 模拟结果及其讨论78-87
• 4.3.4 小结87
• 4.4 总结87-89
• 第五章 重离子照相束线的模拟及初步成像实验研究89-101
• 5.1 重离子照相束流线的模拟90-95
• 5.1.1 几何及物理模型的建立90-93
• 5.1.2 模拟结果及讨论93-95
• 5.2 重离子照相实验及讨论95-99
• 5.2.1 铝盘开孔模型照相实验及讨论95-96
• 5.2.2 台阶样品实验及讨论96-99
• 5.3 总结99-101
• 第六章 总结与展望101-105
• 6.1 总结101-102
• 6.2 展望102-105
• 参考文献105-111
• 在学期间的研究成果111-112
• 致谢112

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

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本文编号：265162