中子半影成像的软件系统

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1、中子半影成像的软件系统赵宗清I丁永坤'郝轶聃'袁永腾'李志超'（1.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳,621900；2.清华大学工程物理系,北京100084）摘要：屮了半影成像的软件系统包括成像过程模拟和图像重建算法研究。目前，我们已分别发展了Monte-Carlo方法和解析模拟方法，对成像的物理过程进行了细致的模拟，两种方法得到了非常一致的比对结果。我们发展了维纳滤波法和Richardson-Lucy方法用于图像重建，并分別采用两种重建算法对模拟成像的结果进行了解码。通过数值实验发现，Richardson-Lucy方法得到的结果与源符合得更好，较维纳滤波法更具可

2、行性。据此详细考察了散射屮子、编码孔加工i吴差及整个成像系统的瞄准精度对编码图像的影响，为成像系统硬件部分的设计捉供了重要的参考意见。关键词：蒙特卡罗方法；解析模型；维纳滤波；Richardson-Lucy方法引言：屮子成像技术，可以获得内爆中子产主区域图像，从而验证内爆动力学计算的正确与否，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。美国劳伦斯里列莫尔实验室（LLNL）的D.Rcss,R.A.Lcrchc等人，在实验上采用针孔成像技术，首次获得了内爆中子图像，证实了中子成像技术的可行性，该结果发表在1988年的Science上

3、⑴。此后，美国，法国和日本的科学家［网在対中子成像的模拟，解谱和实验等方面进行了深入的研究。其中，2002年，L.Disdier"】等人在Omega装置上利用中子半影成像技术实现了20pm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呵的分辨率。在神光II激光装置上，屮子产额较低不能满足屮子成像的要求卩叫但随着我国ICF事业的发展，在神光III原型装置上DT中子产额有望达到10W发以上，这为中子成像技术的发展提供了有利的条件。因此,为了捉高我国ICF核诊断的水平，我们将大力发展中了半影成像技术。屮子半影成像系统的建设，包括硬件平台建设和软件平台建设两部

4、分。硬件平台的建设包括编码孔的设计加工，图像记录系统研制和瞄准技术研究等。目询我们在编码孔加工技术和瞄准技术方而还有一定的技术瓶颈，盂要进行突破。同时，为了考察中了成像技术的可行性，并H为便件设计提供定量化的参考意见，软件平台的建设必须先于硬件平台建设。50iran编码孔b屏蔽体图1屮（半彩成像硬件系统2成像过程的数值模拟2.1蒙特卡罗模拟Monte-Carlo方法是一种随机抽样方法。利用已知的屮子反应截面数据，模拟各利傲观物理过程，通过概率抽样对源粒了的行为进行跟踪，决定每次碰撞后次级粒子的运动方向和速率。我们采用MCNP作为计算程序。1CP是一个大型多功能的蒙特卡罗计

5、算程序，可处理复杂场所三维儿何结构的屮子光子耦合输运问题jCNP具有较强的通用性，在源描述、空间物质的几何分布上具有很人的灵活性，可处理任意三维几何结构问题，适用面宽。对中了的输运问题,MCNP详细处理了各种微观物理过程，适用于中了成像的要求。利用MCNP模拟屮子成像，能使我们更好地理解屮子在成像系统屮的输运过程，同时能够得到图像重建所需要的点扩散函数，为图像重建算法的研究提供条件。2.2解析模拟问通过物理分析和几何建模，我们得到成像传递函数H(U,P,A)=FgFm,由两部分的乘积组成，即几何衰减因子及吸收哀减因了严MSP,2)其中AL(t7,P,2)为中了束在锥孔材料中的

6、吸收路程，◎为材料的中了吸收系数。详细内容可参看文献1201.3两种模拟方法的比较切蒙特卡罗方法模拟的点扩散函数b)解析法模拟的点扩散函数图2蒙特卡罗方法和解析方法得到的点扩散函数图2是蒙特卡罗模拟和解析模拟分别得到的点扩散函数。从图2屮可以看岀，蒙特卡罗模拟得到的图像考虑了散射等物理因素的影响，存在着统计误差，而解析法得到的图像非常光滑。Monte-Carlo方法的优势在于通过对单中了事例的微观物理过程的计算来实现宏观模拟，因此其结果在包括噪声分布等的各方面均非常接近真实物理过程。而解析方法的优势在于，忽略噪声、对屮子束的几何光学近似及采用各种宏观物理现象的唯象理论，使得计

7、算效率极高。因此，我们的发展方向定位为，采用解析方法对中子成像系统进行定性或半定量佔计，并在此基础上采用Monte-Carlo方法做进一步的细致研究，并且采用并行机提高Monte-Carlo的计算效率。3图像重建3.1成像模型中了半影成像，主要冇两个步骤⑸：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。源的亮度分布o(x,刃通过半影孔点扩散函数h(x,y)2,后，像的亮度分布丿为：i(x,y)=o(x,y)**h(x9y)+n(x9y)(3)其中，杯代表二维卷积，刃为干