高能质子照相的研究进展

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1、高能质子照相的研究进展1引言高能闪光照相始于美国的曼哈顿计划(Manhattanproject),并持续到现在,它一直用来获取爆轰压缩过程中材料内部的密度分布、整体压缩的效果以及冲击波穿过材料的传播过程、演变和压缩场的发展的静止“冻结”图像.这一过程非常类似于医学X射线对骨骼或牙齿的透射成像.高能闪光照相有两个显著特点:首先,照相客体是厚度很大的高密度物质,要求能量足够高;其次,客体内的流体动力学行为瞬时变化,要求曝庭光时间足够短.目前,世界上最先进夥的闪光照相装置是美国洛斯•阿拉莫斯国家实验室(LANL)的双轴闪光照相流鬓体

2、动力学试验装置(DARHT)[1]铛.它是由两台相互垂直的直线感应加速器娈组成的双轴照相系统,一次实验能从两个魂垂直方向连续拍摄4幅图像,并且在光源迎焦斑和强度方面都有提高.但是,DARHT也仅有两个轴,这是获得三维数据的薹最小视轴数目,最多只能连续拍摄4幅图吹像,不能进行多角度多时刻的辐射照相,赆获得流体动力学试验的三维图像.而且D渭ARHT的空间分辨率受电子束斑大小的制约.由于电子相互排斥,电子束不能无钝16/16限压缩,束流打到转换靶上,产生等离子钳体，使材料熔化，这在一定程度上扩展了祛束斑直径,从而使X射线光斑增大.

3、估计夜最小的电子束直径为1—2mm,制约了酿空间分辨率的提高.研究人员希望实掴现对流体动力学试验进行多角度(轴)、每个角度多时刻(幅)的辐射照相,从而直获得流体动力学试验的三维动态过程图像.l995年,美国LANL的科学家C宵hrisMorris提出用质子代替X唷射线进行流体动力学试验透射成像[2]呕.首次质子照相得到的图像,其非凡的质茳量出乎发明者的预料.后续的研究和实验词也确认了这项技术的潜在能力.据Mor歆ris回忆,20世纪90年代初期武器雌研制计划资助了一项中子照相研究.其立槌项的主要思想就是利用高能质子、中子和她

4、其他强子的长平均自由程,使其成为闪光答照相的理想束源.SteveSterb尧enz从这个思路出发，研究了使用中子照相进行流体动力学试验诊断的可能性.逸然而即使使用质子储存环(PSR)的强［脉冲产生中子,中子通量都不足以在流体镰动力学试验短时间尺度下获得清晰的图像蹰.当时的洛斯•阿拉莫斯介子物理装置(椴LAMPF)负责人GerryGarvey听到这种意见的第一反应是“为什么ㄨ不用质子”Morris将这些思想统一畛起来,利用高能质子束实现流体动力学试彬验诊断的突破,就是水到渠成的事[3]荤.Morris指出:质子照相的实施应馅归

5、功于现代加速器具有产生高能质子和高镖16/16强度质子的能力.促使发展质子照相技术惹最重要的一步是TomMottersh盗ead和JohnZumbro提出的质友子照相所需的磁透镜系统[4],以及N弄ickKing在武器应用中发展改进的赢快速成像探测系统[5].高能质子域束为内爆物理研究提供了堪称完美的射线轷照相“探针”，因为其平均自由程与流体骱动力学试验模型的厚度相匹配.射线照相湃信息通过测量透过客体的射线投影图像来翁获取.如果辐射衰减长度过短,则只有客掸体外部边界能够测量;如果辐射衰减长度惕过长,则没有投影产生.质子照相为流体

6、狱动力学试验提供了一种先进的诊断方法.ガ2质子与物质相互作用机制高能吒质子与物质相互作用的机制是质子照相原骱理的基础.首先,需要从质子与物质的相碴互作用出发，对质子在物质中的穿透性和散射过程进行分析研究.所有质子都紧在被测物质内部并与其发生相互作用.质符子与物质的相互作用分为强作用力和电磁陟作用力[6].强作用力是短程力,质子与核的强作用力分为弹性碰撞和非弹性碰撞两种:16/16如果是弹性碰撞,以某种角充度散射的质子保持其特性和动量,质子因唧受核力的强大作用,会偏转很大角度,这ツ种现象叫做核弹性散射(如果采用角度准植直器,

7、这部分贡献可以忽略);如果泗是非弹性碰撞,质子被吸收,也就是说,宦损失大部分能量分裂核,产生亚原子粒子租——π介子.当质子能量达到GeV量级侃,质子与原子核的强相互作用占主导地位瘾.质子与物质原子核中的质子和中子发生涿非弹性核相互作用，造成质子束指数衰减鸭，其衰减规律可表示为NN0=ex锿p-∑ni=1liλi,(1)其踌中N0,N分别为入射到被测物体上的质蛰子通量和穿过被测物体的质子通量;λi和li分别为第i种材料的平均自由程和裟厚度.当质子能量达到GeV量级,核反应截面几乎不变,单就穿透能力而言,质器子能量达到GeV量级

8、就足够了.核反应莆截面不变有利于质子照相的密度重建,因骷为质子在客体中的散射过程可能导致质子能量发生变化.由于质子带电,它也冗通过长程电磁作用力与物质相互作用.当洹质子能量达到GeV量级时，电磁作用只拉16/16能产生很小的能量损失和方向变化:┣质子与原子核的