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《x光导管传输特性的蒙特卡罗模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、第16卷 第12期强激光与粒子束Vol.16,No.122004年12月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSDec.,2004文章编号:100124322(2004)1221513205XX光导管传输特性的蒙特卡罗模拟牛胜利, 彭 玉, 王建国, 乔登江(西北核技术研究所,陕西西安710024) 摘 要:X光在导管中的传输性能是设计X光透镜的基础。在研究X光导管传输理论基础上,建立了X光在导管中传输的射线跟踪方法,编制了蒙特卡罗模拟计算程序。对具体的模型,计算给出了导管的传输效率随X光源与导管入口面的距离、导管直径和曲率半径的变化关系。模拟表
2、明:直圆柱导管的传输效率随导管直径增大而减小,随X光源所在平面与导管入口面之间的距离增大而增大;弯曲圆柱导管的传输效率随其曲率半径的增大而增大,当曲率半径趋向无穷大时,X光在弯圆柱导管的传输效率趋向于直圆柱导管的传输效率。利用编制程序计算得到的传输效率与实验结果符合较好。 关键词:X光; 导管; 传输效率; 蒙特卡罗模拟 中图分类号:O434.1文献标识码:AX光穿透力很强,在介质表面几乎不发生偏折,反射率也很低,难以用传统的光学方法和器件来控制X光的传播。20世纪80年代后期,俄罗斯库尔恰托夫原子能研究所的(M.A.Kumakhov发明了新型X光聚束系[1]统,
3、即X光导管组成的X光透镜,该透镜可在较大的角度范围内调控宽波段的X光束,获得较高的X光功率密度,它是X光光学的新突破。90年代以来,导管X光学和以它为基础的X光聚束系统的研究成了X光学[2～4]的新热点,俄罗斯、美国、瑞典和中国都在这方面进行了基础理论和应用研究。X光单导管传输性能是设计X光透镜的基础,理论上研究X射线在单导管中传输性能,对导管或透镜的[5][6]设计和实验有重要指导价值。X光在导管中的传输算法有赝重力加速模型、光束离散化模型和光线跟踪[7]模型。赝重力加速模型实质是将X光在三维导管中的传输近似为在导管子午面上的传输,因此是个近似结果;光束离散化模型在
4、X光源和粗糙表面反射的细致处理方面存在缺陷,它只能计算平行束源,对粗糙表面反射的处理仅考虑了镜面反射;而光线跟踪模型则在模拟各类X光源、粗糙表面反射的处理和物理量统计方面具有其独特的优越性,且限制较少。本文根据传输理论,采取光线跟踪模型,建立了X光在导管中传输的蒙特卡罗模拟计算方法,编制了计算程序,该程序不受X光源位置和方向的限制,细致处理了粗糙表面的反射,不仅考虑了镜面反射,还考虑了漫散射的影响。1 导管中X光传输理论X光透镜是利用X光在组成透镜的导管内表面的反射原理来实现X光的传输的,由于玻璃或金属等一般材料的X光等效折射率略小于1,而导管中的空气折射率近似为1,
5、因此,在真空或空气与非常光滑的材料界面上,只有当X光以小于材料的全反射临界角的掠射角入射时,才能具有很高的反射率。按照经典光学理论,材料的折射率是能量(波长)的函数,另外,全反射临界角的大小与X光子的能量成反比,能量越低,临界角越大。但若X光能量太低,则导管内壁对X光的吸收将很强,因此,X光的能量在1keV～几十keV时较为适合。1.1 折射率 导管的物理特性可由介质折射率n来表示,由X光的散射理论,X光的复折射率可表示为n=1-δ-iβ(1)式中:δ描述介质的极化特性;β描述介质对X光的吸收;1-δ为X光的实折射率;δ和β与原子散射因子f=f1+if2的关系为22
6、2222reλNf1eλNef1reλNf2eλNef2δ==2,β==2(2)2π2πmec2π2πmecX收稿日期:2004203210;修订日期:2004206224作者简介:牛胜利(1967—),男,河南人,副研究员,博士生,主要从事核技术和蒙特卡罗方法研究;西安市69信箱12分箱。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.1514强激光与粒子束第16卷式中:re是电子的经典半径;λ为X射线的波长;Ne为介质中单位体积自由电子数;me为电子静质量;e为电子电量,c为真空中的光速
7、。1.2 反射率[8] 对于理想表面,反射率可用菲涅尔公式描述:4βθ21-,0≤<1-2γθ2(θθ)2-1θccc/RŠ(θ)=(3)2θ0,1-2γ≤θc式中:θc为临界角,表示光线入射到介质表面将发生全反射的最大角;θ为入射角;γ=β/δn1。斯涅尔(Snell)定律将全反射的临界角和折射率联系起来,θc=2(n-1)=2δ(4)1.3 表面粗糙度模型 由于制造工艺等因素的影响,一根实际的毛细导管的内壁并不是一个理想的光滑几何曲面,而是一个不平滑的粗糙曲面,粗糙表面的反射率用沃勒2德拜公式来描述:4πσsinθ2RŽ(θ)=RŠ(θ)ex
