中子半影成像的数值模拟

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1、第18卷第7期强激光与粒子束Vol.18,No.72006年7月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJul.,2006文章编号:1001-4322(2006)07-1203-05中子半影成像的数值模拟*赵宗清1,2,丁永坤2,刘东剑2,3,唐昶环2,温树槐2,蒲以康1(1.清华大学工程物理系,北京100084;2.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900;3.四川大学原子核科学与技术研究所,成都610065)摘要:半影成像具有灵敏度高的特点,该技术是未来惯性约束聚变(ICF)中子成像的主要技术路线。基于中子半影成像的基本要求,利用

2、蒙特卡罗方法,采用偏移抽样法和面通量的体通量替代技巧,模拟中子在半影成像系统中的输运,得到2维图像,并通过图像重建程序得到重建的源区图像。利用模拟结果,对编码孔屏蔽材料的选择和外径设计进行了初步优化,最终选择5cm厚的钨屏蔽材料,其编码孔外径为1cm。关键词:半影成像;MCNP程序;编码孔;中子中图分类号:O571.523;O532.13文献标识码:A实验室惯性约束聚变(ICF)核反应产物中的中子,即使对最大尺寸的内爆靶,也可以从内爆中心逃逸出来而几乎不受所通过的燃料区和靶壳的影响。ICF内爆中子的诊断与其他内爆产物的诊断相比更具可靠性,而其他内爆产物如带电粒子、γ射线

3、等的诊断可能会受到很多因素的干扰。中子成像技术,可以获得内爆中子产生区域图像,从而验证内爆动力学计算的正确性,了解靶丸压缩与产额之间的关系,获得各种黑腔、靶丸设计的性能参数,达到优化靶及黑腔设计等目的。常用的中子成像技术有针孔成像、半影成像两种。美国劳伦斯·利弗莫尔实验室(LLNL)的D.Ress,R.A.Lerche等人,在实验上采用针孔成像技术,首次[1][2-9]测到了内爆中子图像,证实了中子成像技术的可行性。此后,美国、法国和日本的科学家在对中子成像的[3-4]模拟、解谱和实验等方面进行了深入的研究,其中,L.Disdier等人于2002年在Omega装置上利用

4、中子半影成像技术实现了20的分辨率,而在即将建成的美国NIF装置和法国LMJ装置上要实现5～10的分辨µmµm率。与针孔中子成像相比,中子半影成像立体角大,灵敏度高,对源的中子产额要求较低,而且半影孔制作相对简单。本文正是基于半影成像的基本要求,利用蒙特卡罗方法,模拟中子在半影成像系统中的输运,获得2维图像,并通过图像重建程序得到重建的源区图像。同时,对编码孔材料和编码孔外径的选择进行了一定优化。这些工作还能对编码孔的形状、尺寸、工作距离的选择和成像的分辨率等提供直观的数值依据。1中子半影成像原理及方法常用的中子成像技术有针孔成像、编码成像两种。中子半影成像是编码成像技

5、术的一种,主要有两个步Fig.1Principleofthepenumbralimagingsystem图1半影成像原理图*收稿日期:2006-03-08;修订日期:2006-05-15基金项目:国家863计划项目资助课题作者简介:赵宗清(1980-),男,主要从事惯性约束聚变内爆物理的研究;zhaozongqing99@mails.tsinghua.edu.cn。1204强激光与粒子束第18卷[5]骤:第一步,由中子源发射中子,经过半影孔形成编码像,编码像由亮区、半影区和本底组成。这一过程中,应当根据源的具体情况选择合适的半影孔。在满足近轴条件的情况下,半影孔的点扩散

6、函数(PSF)可以认为是空间不变的,其半径R和源半径R必须满足csRc(1+Li/Lo)>Rs(Li/Lo)(1)式中:L为源到孔的距离;L为孔到探测器的距离。源的亮度分布o(x,y)通过半影孔点扩散函数h(x,y)的oi卷积作用之后,得到像的亮度分布i(x,y)为i(x,y)=o(x,y)**h(x,y)+n(x,y)(2)式中:**代表2维卷积;n(x,y)为干扰噪声。第二步,由编码像经过图像反演得到源的亮度分布,即中子通量分布。图像反演的基本思想是:先分别对i(x,y),h(x,y)和n(x,y)做傅里叶变换得到其频域分布I(kx,ky),H(kx,ky)和N(k

7、x,ky),相应地,I(kx,ky)=H(kx,ky)·o(kx,ky)+N(kx,ky)(3)通过一定的图像反演算法,就可以得到o(kx,ky),再进行逆傅里叶变换便可以得到源的中子强度的2维空间分布。2中子半影成像的模拟蒙特卡罗方法是一种随机抽样方法。利用已知的中子反应截面数据,模拟各种微观物理过程,通过概率抽样对源粒子的行为进行跟踪,决定每次碰撞后次级粒子的运动方向和速率。根据需要对相应的物理量进行统计,逐次跟踪下去,就可以得到所需的结果。我们采用MCNP作为计算程序。MCNP是一个大型多功能的蒙特卡罗计算程序,具有较强的通用性,在