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高能质子照相的研究进展(2)
  4 质子照相装置
  
  质子照相技术自1995年首次在美国LANL被论证以来,LANL和布鲁克海文国家实验室(BNL)进行了大量的实验,其中很多次是和圣地亚(SNL)、劳伦斯•利弗莫尔(LLNL)以及英国原子武器研究机构(AWE)合作完成的,直接针对流体动力学有关的关键科学问题[11].实验主要分为两部分:一是在LANL的洛斯•阿拉莫斯中子散射中心(LANSCE)上进行的小型动态实验(质子能量800MeV),小型动态实验主要包括:高能炸药的爆轰特性实验、金属和材料对强冲击加载的复杂响应实验(包括失效、不稳定性和微喷射等)以及验证内爆过程后期的材料动力学和材料状态的实验;二是在BNL的交变同步加速器(AGS)上进行的用于诊断大尺度流体动力学试验的高能质子照相实验(质子能量12GeV或24GeV).进行高能质子照相的目的是:发展高能质子照相所需技术,验证采用质子照相进行大尺度流体动力学试验的能力,以及与DARHT进行某些直接的比较.对于厚的流体动力学试验客体而言,质子照相的质量远好于DARHT的照相结果.如果DARHT要获得同样的照相细节,需将其剂量提高100倍.而且比照片质量更重要的是,质子照相具有定量的特性.质子照相因其低剂量、定量的密度重建、亚毫米空间分辨率以及超过每秒500万幅的多幅照相频率等特性而成为新一代流体动力学试验闪光照相设施的必然选择.
  LANL为AHF建议的质子照相装置包括质子束源、照相布局、磁透镜成像及探测器系统,图2给出了质子加速器和分束系统方案[12].质子束源是一台能量为50GeV的同步加速器和12条束线,包括一台H-直线加速器注入器,一台3GeV的增强器和一台50GeV的主加速器.采用快速踢束调制器将质子束从3GeV增强器注入50GeV主加速器,经过同步传输系统和使用分束器将质子平均分成多个子束.最后从多个方向同时照射到实验靶上.质子束穿过实验靶后,磁透镜系统对质子束信号进行分类,由探测系统记录数据.实验布局的复杂性都远远超出了闪光照相实验.
  
  图2 LANL的质子加速器和分束方案
  LANL提出的质子照相装置的主要指标:质子束能量达到50GeV,空间分辨率优于1mm,密度分辨率达到1%;每次加速的质子总数达3×1013个,每幅图像的质子数达到1×1011个;每个脉冲的间隔最小为 200ns,质子到达靶的前后误差不超过15ns;每个视轴可连续提供20个脉冲,视轴数12个,覆盖角度达165°.这样,一次流体动力学试验可获得12个角度,每个角度20幅图像.
  2000年,LANL给出了发展质子照相的研究计划.整个装置预计投资20亿美元,其中质子加速器系统使用原有的部分设备,需要5678.8万美元.装置的建造时间需要10到15年,分几个阶段进行:2007年前,建造50GeV同步加速器、2个轴成像系统和靶室1;2008—2009年,建造3MeV增强器(booster)、4个轴成像系统和靶室2;2010—2011年,8—12个轴成像系统.从目前的调研情况来看,原计划2007年前完成的任务没能按期完成.因此,这个计划要推迟.最新的研究计划未见报道.
  5 质子照相与X射线照相的比较
  我们通过与现有最好的流体动力学试验装置——DARHT比较来说明质子照相的特点和优势[13].
  (1) 三维动态照相. 由于质子加速器固有的多脉冲能力和质子束分离技术,因此,质子照相能够提供多个时刻、多个方向的三维动态过程图像.质子照相能够提供超过20幅的图像,这种多幅能力可得到内爆运动过程的动态图像. 而DARHT沿一个轴只能得到4幅图像,沿其垂直轴得到1幅图像.另外,质子照相不需要转换靶,保证了多次连续照相不受影响,而X射线照相由于需要转换靶,需要考虑束斑的影响.
  (2) 精细结构分辨.高能质子穿透能力强,其穿透深度和流体动力学试验模型达到理想匹配.相比之下,X射线只有在4MeV能量时才能达到最大图像对比度,此时其穿透能力只有高能质子的1/10. 质子照相能测定密度细微变化的另一个理由是质子散射能得到控制. 散射质子可以被聚焦形成视觉上无背景、对比鲜明的图像.而实验客体对X射线形成的大角度散射无法控制,降低了照相的精度和灵敏度.
  (3)质子对密度和材料都比较敏感,可以分辨密度差别不大的两种物质.实际上,质子散射的利大于弊,它能用于识别物质的化学组成.利用两个相同的磁透镜系统和不同孔径准直器串联组成的两级成像系统,通过对两种不同准直孔径得到的数据进行分析,可以提供材料的密度和组分信息.而X射线只对密度敏感,故分辨不出密度差别不大的两种物质.
  (4) 曝光时间可调.质子加速器能够产生持续时间为100ps、间隔为5ns的“微小脉冲束”,每幅图像可用8—20个脉冲的时间进行曝光.因此,质子照相可任意选定曝光时间和间隔.内爆初期,研究人员可以选择较长的曝光时间和间隔,对较慢的运动进行连续式“冻结”照相.当内爆速度变快时,可以缩短曝光时间.DARHT的脉冲时间由电路决定,一旦脉冲的时间间隔和持续时间固定,只能以固定的时间间隔照相,研究人员只能指定第一幅图像的时间.
  (5)探测效率高.质子是带电粒子,直接与探测介质中的电子相互作用产生信号,因此,很薄的探测器就能将质子探测出来.如此薄的探测介质接收不到被探测客体中产生的中子和 γ光子.
  (6)空间分辨率高.X射线照相是X射线穿过样品打到闪烁体或底片成像,没有聚焦过程(事实上,对4MeV的X射线还没有聚焦办法),图像的空间分辨率由光源的尺寸(焦斑)决定.质子散射虽然也会引起图像模糊,但质子散射是可控的,可以通过磁透镜聚焦成像.磁透镜不仅能聚焦质子,而且能减小次级粒子的模糊效应.但不同能量质子的聚焦不同,也将导致模糊.Zumbro改进了透镜系统,消色差提高了图像品质.对于小尺寸物体的静态质子照相,空间分辨率可到100μm,最近的质子照相实验已达到15μm,并有达到1.2μm的潜力.
  
  6 结束语
  
  质子照相是美国国防研究与基础科学相结合而诞生的高度多用性的发明.质子照相若不是与国防基础研究共同立项,也绝不会有如今的发展.雄厚的武器实验基础能持续提供人员和创新技术.质子照相极大地提高了流体动力学试验的测量能力.它所具有的高分辨率能够精细辨别内爆压缩的细节,多角度照相有利于建立完整的流体动力学模型,多幅连续照相更加容易判断冲击波和混合物随时间变化的情况.近年来,科学家们加紧了对高能质子照相的研究.目前,X射线照相仍然是流体动力学试验的主要设备.总有一天,质子照相将代替X射线照相并对流体动力学试验进行充分解释.
  
  参考文献
  [1] Burns M J, Carlsten B E, Kwan T J T et al. DARHT Accelerators Update and Plans for Initial Operation. In: Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference. New York, 1999.617
  [2] Gavron A, Morris C L, Ziock H J et al. Proton Radiography. Los Alamos National Report, LA-UR-96-420, 1996
  [3] Morris C L. Proton Radiography for an Advanced Hydrotest Facility. Los Alamos National Report, LA-UR-00-5716, 2000
  [4] Mottershead C T, Zumbro J D. Magnetic Optics for Proton Radiography. In: Proceedings of the 1997 Particle Accelerator Conference. Vancouver B C, 1997. 1397
  [5] King N S P, Ables E, Alrick K R et al.Nucl. Instrum Methods in physics research A, 1999, 424(1): 84
  [6] Fishbine B. Proton Radiography Sharper “X-Ray Vision” for Hydrotests. In:The Winter 2003 Issue of Los Alamos Research Quarterly. Los Alamos National Laboratory, 2003
  [7] Aufderheide III M B, Park HS, Hartouni E P et al. Proton Radiography as a Means of Material Characterization. Lawrence Livermore National Laboratory, UCRL-JC-134595, 1999
  [8] Amann J F, Espinoza C J, Gomez J J et al. The Proton Radiography Concept. Los Alamos National Laboratory, LA-UR-98-1368, 1998
  [9] Barbara B, Andrew J J. Chromatically Corrected Imaging Systems for Charged-Particle Radiography. In: Proceedings of the 2005 Particle Accelerator Conference. Knoxville, 2005. 225
  [10] Andrew J J, David B B, Barbara B et al. Beam-Distribution System for Multi-Axis Imaging at the Advanced Hydrotest Facility. In: Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference. Chicago, 2001. 3374
  [11] Morris C L, Hopson J H, Goldstone P. Proton Radiography. Los Alamos National Laboratory, LA-UR-06-0331, 2006
  [12] Thiessen A. The Advanced Hydrotest Facility Overview. Los Alamos National Laboratory, LA-UR-01-3742, 2001
  [13] Cunningham G S, Morris C L. The Development of Flash Radiography. In: Los Alamos Science. Los Alamos National Laboratory,2003
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