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高能质子照相的研究进展


□ 许海波 孔令海 彭现科

  摘 要 高能闪光照相是诊断致密物质内部几何结构和物理特性的最有效技术.高能质子照相在穿透能力、材料识别、空间分辨率等方面都优于X射线照相,已经成为美国先进流体动力学试验装置的优先发展对象.文章详细介绍了高能质子照相方案及其研究进展.
  关键词 光电子学,质子照相,综述,质子加速器,磁透镜 
  
  High-energy proton radiography
  XU Hai-BoKONG Ling-HaiPENG Xian-Ke
  (Institute of Applied Physics and Computational Mathematics, Beijing 100088, China)
  
  AbstractHigh-energy flash radiography is the most effective technique to interrogate inner geometrical structure and physical characteristic of dense materials. It is shown that high-energy proton radiography is superior to high-energy x-ray radiography in penetrating power, material composition identification and spatial resolution. Proton radiography is taken as a leading candidate for the Advanced Hydrotest Facility by the United States. The project and current development in high-energy proton radiography is reviewed.
  Keywordsoptoelectronics, proton radiography, review, proton accelerator, magnetic lens
  
  1 引言
  
  高能闪光照相始于美国的曼哈顿计划(Manhattan project),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,要求曝光时间足够短.
  目前,世界上最先进的闪光照相装置是美国洛斯•阿拉莫斯国家实验室(LANL)的双轴闪光照相流体动力学试验装置(DARHT)[1].它是由两台相互垂直的直线感应加速器组成的双轴照相系统,一次实验能从两个垂直方向连续拍摄4幅图像,并且在光源焦斑和强度方面都有提高.但是,DARHT也仅有两个轴,这是获得三维数据的最小视轴数目,最多只能连续拍摄4幅图像,不能进行多角度多时刻的辐射照相,获得流体动力学试验的三维图像.而且DARHT的空间分辨率受电子束斑大小的制约.由于电子相互排斥,电子束不能无限压缩,束流打到转换靶上,产生等离子体,使材料熔化,这在一定程度上扩展了束斑直径,从而使X射线光斑增大.估计最小的电子束直径为1—2mm,制约了空间分辨率的提高.
  研究人员希望实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Chris Morris提出用质子代替X射线进行流体动力学试验透射成像[2].首次质子照相得到的图像,其非凡的质量出乎发明者的预料.后续的研究和实验也确认了这项技术的潜在能力.据Morris回忆, 20世纪90年代初期武器研制计划资助了一项中子照相研究.其立项的主要思想就是利用高能质子、中子和其他强子的长平均自由程,使其成为闪光照相的理想束源.Steve Sterbenz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.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动力学试验短时间尺度下获得清晰的图像.当时的洛斯•阿拉莫斯介子物理装置(LAMPF)负责人Gerry Garvey听到这种意见的第一反应是“为什么不用质子?” Morris将这些思想统一起来,利用高能质子束实现流体动力学试验诊断的突破,就是水到渠成的事[3].Morris指出:质子照相的实施应归功于现代加速器具有产生高能质子和高强度质子的能力.促使发展质子照相技术最重要的一步是Tom Mottershead 和John Zumbro提出的质子照相所需的磁透镜系统[4],以及Nick King 在武器应用中发展改进的快速成像探测系统[5].
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摘自:物理 2008年第11期  
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