（核技术及应用专业论文）惯性约束聚变中的快中子半影成像研究.pdf

四川大学硕士学位论文 惯性约束聚变中的快中子半影成像研究 核技术及应用专业 研究生刘东剑指导老师安竹、唐昶环 在解决能源危机和国防方面的重要作用，使得惯性约束聚变受到各国的 普遍重视。惯性约束聚变实验中，驱动源驱动聚变靶丸内爆，内爆过程中燃 料的流体力学不稳定性和冷热燃料的混合有可能导致靶丸点火失败，这些问 题都和驱动源的不均匀性密切相关。驱动源对靶丸的压缩情况将最终反映到 靶丸热核反应区的形状上，因而可以通过热核反应区的形状来研究驱动源对 称性对靶丸内爆过程的影响。作为热核反应产物的快中子直接从热核反应区 发出，由于它们不带电、射程长，出射过程中基本不受干扰，人们可以利用 它们对反应区直接成像，从而观察靶丸内爆的原始情况，研究内爆成败的起 因。 通过中子成像技术可以对靶丸内爆过程中的热核反应区进行成像。中子 产额较低时，中子成像技术宜采用中子半影成像方式。为配合我国神光一重 点工程的建设，中子半影成像作为将来神光打靶试验的一项重要诊断手 段，一些前期准备工作有待完成，本论文工作正是基于这个目的开展的中 子半影成像技术包括两方面工作内容：装置搭建和反演程序编写。反演程序 方面，目前普遍采用线性反演方法( 如维纳滤波反演方法) ；但该方法对成像 过程进行的线性近似，往往会引起反演结果的严重畸变。最近，通过引入虚 原子和虚团簇的概念，分子动力学方法被用到放射调强治疗计划优化上，得 到了很好的结果而中子半影成像反演实质上是一个非线性优化问题，同样 通过引入虚原子、虚团簇的概念，可以将分子动力学方法运用到中子半影成 像反演上来，我们成功地完成了中子半影成像分子动力学方法反演程序的编 四川大学硕士学位论文 写，并通过该方法对不同噪声水平的模拟中子半影像进行了反演，很快地得 到了合适的物理解。采用该方法本论文得到了2 0 微米空间分辨率的中子源像， 并配合蒙特卡洛方法对实验装置进行了一些讨论。 本论文重点介绍介绍分子动力学方法在中子半影成像反演方面的运用， 第一章主要介绍该论文的研究背景，第二章介绍中子半影成像的原理，第三、 四章通过比较维纳滤波反演方法和分子动力学方法，重点介绍分子动力学方 法在反演中子半影像方面的一些优势；并通过该方法对装置进行了一些讨论， 还讨论了指向精度和中子产额对装置半影像反演结果的影响。 关键词：惯性约束聚变半影成像蒙特卡洛方法分子动力学方法 四川大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ff a s tn e u t r o np e n u m b r a li m a g i n gi n i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n m a j o r ：n u c l e a rt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n g r a d u a t e ：d o n 萄i a nl i u t u t o r ：z h u a n , c h a n g h u a nt a n g d u et oi t sg r e a ts i g n i f i c a n c ei no v e r c o m i n gt h ec r i s i so fe n e r g ya n di n n a t i o n a ld e f e n c e ，r e s e a r c ho f i n e r t i a lc o n f i n 目n e n tf u s i o no c d i s 西v e nc n o r i l a o u s s u p p o g sb ym a n yc o u n t r i e s i ne x p e r i m e n t s ，t h eh y d r o d y n a m i c si n s t a b i l i t i e sa n d t h em i x t u r eo ft h ef u s i o nm a t e r i a l s ，w h i c ho c 圮1 1 fi nt h ei m p l o s i o np r o c e s so ft h e f u s i o n ( a r g e t s ，m a yl e a dt ot h ef a i l u r eo f t h ei m p l o s i o n , a n dt h e ym a yb ec a u s e db y t h ed r i v i i l gd i s s y m m e t r yo ft h ed r i v i n gs o u i f o rt h ec o m p r e s s i n gd i s s y m m e u y o f t h et a r g e tb yt h ed r i v i n gs o u l p 弛w i l lf i n a l l ya f f e c tt h es h a p eo f t h ef u s i o nc o r e ，i t i sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pd i a g n o s i st e c h n i q u e st oo b s e r v et h i se f f e c t b e c a u s e f u s i o nn e u t r o n sa 地c h a r g ef r e e t h e yc a ne s c a p ee a s i l yf r o mt h ed e n s ep h s m 且s o t h es h a p eo ft h ef u s i o na 瑚啪b eo b s e r v e db yt h ef u s i o nn e u t r o n sw i t hs o m e n e u t r o ni m a g i n gt c c h n i q u e s t h e r ea l e8 0 m en e u t r o ni m a g i n gt e c h n i q u e s ，w h i l en e u t r o np e n u m b r a l i m a g i n gi sas u i t a b l eo n ea tl o wn e u t r o ny i e l dl e v e l c o n s i d e r i n gt h en e = 1 u t r o ny i e l d o fs h e n g u a n g - 1 1 1w h i c hi st ob ee s t a b l i s h e di nt h en e a rf u t u r e ，n e u t r o np e n u m b r a l i m a g i n gw i l lb ea ni m p o r t a n td i a g n o s i st e c h n i q u eo ni t s o m ep r e p a r a t i o n so ft h e t e c h n i q u en e e dt ob ed o n ew h i l es h e n g u a n g - i l li si nb u i l d i n g t h ep a p e rp r i n t s s o m eo ft h e s ep r e p a r a t i o n sw eh a v ed o n e t h en e u t r o np e n u m b r a li m a g i n g t e c h n i q u ei n c l u d 髂t w om a i np a r t s ：t h ec o n s t r u c t i o no ft h ee q u i p m e n t sa n dt h e s t u d yo ft h er o n s m l c t i o nm e t h o d s i nr c c o n s ( r u c t i o no ft h ep e n u m b r a li m a g e s ， l i n e a rr e c o n s t r u c l i o nm e t h o d s ，f o re x a m p l e ，w i e n e rf i l t e rm e t h o d ，a 旭o f t e nu s e d , 四川大学硕士学位论文 b u tt h el i n e a ra p p r o x i m a t i o n si nt h e s em e t h o d sa l w a y sc a u s es e r i o u sd i s t o r t i o ni n t h er e c o n s t r u c t i o nr e s u l t s r 鳅m t l y , b yi n 血o d u c i n gt h ec o n c e p t i o no fv i r t u a la t o m a n dv i r t u a lc l u s t e r , m o l e c u l a rd y l 强t m i o s ( 加) w a su s e dt os o l v et h eo p t i m i z a t i o n p r o b l e mi ni n t e n s i t ym o d u l a t e dr a d i a t i o nt h e r a p yp l a n , a n dg o o dr e s u l t sw e r e o b t a i n e d i nt h es a m ew a y , t h em dm e t h o dc a nb ea p p l i e dt or e c o n s t r u c tt h e n e u t r o np e n u m b r a li n l f l g e s ，s i n c et h er e c o n s t r u c t i o no ft h en e u l x o np e n u m b r a l i m a g e si sa c t u a l l yan o n l i n e a ro p t i m i z a t i o np r o c e s s b yf a r , t h er e c o n s t r u c t i o n p r o g r a mb a s e d o nt h em dm e t h o dh a sb e e nc o m p l e t e d , a n ds o m eg o o d r e c o n s t r u c t i o nr e s u l t so fs i m u l a t e dp e n u m b r a li m a g e so nd i f f e r e n tn o i s el e v e lw e r e a l s oo b t a i n e d u s i n gt h em e t h o d , t h er e s o l u t i o no f 2 0 _ j mo f n e u ( r o ns o u v 2i n l a g e i sa c h i e v e d , a n ds o m ed i s c u s s i o n so f t h e l u i p m c n t sw e r ea l s og i v e nw i t ht h eh e l p o ft h em o n t ec a r l om e t h o dw h i c hc a l lb ee m p l o y e dt os i m u l a t et h en e u l z o n p e n u m b r a li m a g i n gp r o c e s s e s t h ep a p e rm a i n l yi n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no ft h em dm e t h o di nt h e r e c o n s t r u c t i o no ft h en e u t r o np e n u m b r a li m a g e s i n c h a p t e r1 t h er e s e a r c h b a c k 孕d m di si n t r o d u c e d t h e nc h a p t e r2p r e s e n t st h ep r i n c i p l eo fp e n u m b r a l i m a g i n gt e c h n i q u e i nt h ec h a p t e r s3 - 4 ，b yc o m p i n g t h em dm e t h o dw i t ht h e w i e n e rf i l t e rm e t h o d , s o m ea d v a n t a g e so ft h em dm e t h o di nr e c o n s t r u c t i n gt h e n e u t r o np e n u m b r a li m a g e sa r eg i v e ni nd e t a i l a n db yt h em dm e t h o da n d i m a g i n gs i m u l a t i o n s , t h ep a p e rg i v e ss o m ed i s c u s s i o n so ne q u i p m e n t s ，a n ds o m e d e m a n d so np o i n te l t o ro f a p e r t u r ea n dn e u t r o ny i e l d sa a l s op u tf o r w a r d s k e y w o r d s ：i n e r t i a lc o n f m c r n e n tf u s i o n ( i c f ) ，p e n u m b r a li m a g i n g , m o n t e c a r l om e t h o d , m o l e c u l a rd y n a m i c s ( ) m e t h o d 四川大学硕士学位论文 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归四川大学所有，特此声明。 孽生：鹊采悄 导母：毒矽 四川大学硕士学位论文 第一章引言 随着能源危机的迫近，人类对新能源的需求越来越大。聚变能作为一种 储量丰富的清洁能源，日益受到人们的关注目前聚变能尚处在研究阶段， 计划在2 0 1 0 年前实现聚变点火，于2 0 2 0 年左右建成第一座试验性的聚变反 应堆，并计划在2 0 4 0 年建成第一座商用聚变发电站。核聚变研究是当代自然 科学的一个重大前沿研究课题。另外、惯性约束聚变研究在天体物理和国防 方面也有极其重要的意义。 ， 1 1 惯性约束聚变【1 】 综合考虑反应截面，以及燃料元素的储量、提取难易、反应速度等因素， 选取氢的同位素氘和氚混合气体填充靶丸做聚变反应燃料较合适。其热核反 应方程式为： ；d + ：r 寸；胁( 3 5 2 m e v ) + ：n ( 1 4 1 m e t ) ；d + ；d 寸；h e ( o 8 2 m e g ) + o l n ( 2 4 5 m e v ) ；d + 2 d 寸：r ( 1 0 1 m e v ) + l o ( 3 0 2 m e v ) 以上反应中，相同温度条件下，d t 的核反应截面最大，同时该反应又 促进d d 反应：所以可以用来实现商用能源的核反应是d - t 和d d 反应。而 且d 在海水中的含量丰富，可以通过电解海水的方法予以提取，t 又可以从 中子和锂的核反应中得到。 聚变反应的困难在于：由于原子核带正电，两原子核之间存在库仑斥力； 要发生核反应，先必须克服库仑斥力，使两核接近到核力的作用范围，约 1 0 ”m 这只有在极高的温度下才能实现，此时原子核以极高的速度作无规运 动，连续发生相互碰撞，发生大量聚变反应，这种核反应是在原子核的热运 动中发生的，故称为热核反应控制这种反应能均匀缓慢的释放，并用来发 四川大学硕士学位论文 电，是聚变和平利用的最终目的实现可循环的自持的关键条件在于：在有 限的时间和空间里增加轻核燃料原子核的碰撞几率，即实现劳逊条件：劳逊 对核聚变等离子体的能量平衡作了分析，考虑到聚变反应生成的中子对等离 子体加热没有贡献，而反应产物中只有口等带电粒子的能量能够被等离子体 吸收，并加热等离子体。单位时间、单位体积加热等离子体的能量为只： 乞= 丢 蛾， 为热核反应速率，n 代表燃料密度对于d - t 反应，e a = 3 5 m e v 。 在t = 1 0 k e v 时， = - i i x i 0 - m 3 1 s ，足= 1 6 x l o - 3 疗2 w m 2 。 同时，高温等离子体中的电子具有很高的热运动速度，电子在离子库仑 场作用下释放电离辐射，也称轫致辐射，单位时间、单位体积的轫致辐射能 量为忍： 晶= 5 3 5 x 1 0 ”n n f 一2 w m 3 = 5 3 5 1 0 一” 2 一 w m 3 ，( 1 2 ) 这里n 代表离子和电子的密度，温度t 的单位为k c v 。单位体积等离子 体的热能为三啊| r + 吾拧。j r ，总和为3 n k t ，忽略热传导的能量损失，在约束 时间f 内，应该输入的能量为： 瓦= 3 n k t + 晶f ， ( 1 3 ) 单位体积等离子体在时间f 内，由聚变反应产生的能量为 巴f 2 去 矿瓦f ，为了使等离子体中的聚变反应能够持续进行，必须满 足以下条件： 匕f 3 n k t + p e f ， ( 1 4 ) 押2 最f 2 3 棚+ 5 3 5 x 1 0 4 脚， ( 1 5 ) 2 四川大学硕士学位论文 即万r - 塑二t i 1 疋一5 3 5 1 0 一”t 2 当t - 1 0 k e v 时，d - t 的反应的 - 1 1 1 0 4 一，疋= 3 5m c v 。 可得t i t 2 1 0 ”s m 3 ； ， 这就是劳逊判据，即在等离子体中，在温度t = 1 0 k c v 时，要使热核反应 能够自持地进行下去，盯至少需达到1 0 2 0 s m 3 。 目前，实现轻核聚变有两种有效方式：磁约束和惯性约束。要实现劳逊 条件有两种途经。一种是：在一定的燃料密度下，增加燃料的约束时问从而 达到增加反应几率的目的，这是磁约束的目标；另一种是：在较短的约束时 间内增加燃料密度，以增大反应几率，惯性约束聚变主要侧重于这个方向。 惯性约束聚变通过惯性力压缩热核反应燃料实现劳逊条件。人们最常见 的惯性约束聚变源是太阳，太阳是通过自身强大的惯性引力来压缩聚变燃料 实现热核反应目前在实验室条件下实现惯性约束聚变的有效方式是激光约 束聚变，即利用高功率激光器在极短时间内将聚变燃料小球( 靶丸) 加热、压缩 到高温、高密度，使之在中心。点火”，实现受控聚变。本文中以后提到的惯 性约束聚变在无特殊说明的情况下均指激光约束聚变。 惯性约束聚变分为四个阶段： 激光辐射阶段：利用强激光快速加热氘氚靶丸表面，形成一个热的等离 子体烧蚀层： 内爆压缩阶段：靶丸表面热等离子体向外喷发，反向向心压缩靶丸内部 的聚变燃料； 聚变点火阶段：通过向心压缩，聚变靶丸中心热核反应燃料达到高温高 密度状态，发生聚变反应； 聚变燃烧阶段：首先在中心发生的聚变反应向外蔓延，压缩并点燃周围 的聚变燃料，使之发生热核反应，从而点燃整个靶丸，实现能量增益。 惯性约束聚变中的一个关键因素是：激光辐射阶段，激光烧蚀靶丸表面 的时间和空间均匀性要求较高。出于这点考虑，惯性约束聚交又分为：直接 驱动方式和间接驱动方式。两者的主要区别在激光辐射阶段。 直接驱动方式是用时间同步的多路激光从空间各个方向均匀加热靶丸。 四川大学硕士学位论文 间接驱动方式则先把激光注入靶丸外层高z 材料的金属空腔，将激光能 量转化为空间均匀的软x 射线，再对靶丸进行加热 前者适用于能量密度空间分布均匀的激光路数较多的情况；而后者在激 光路数较少的情况下使用。考虑到我们目前的情况，神光上只有八路激光， 多采用间接驱动 1 2 内爆及靶丸辐照压缩对称性【2 】 图i 1 ) 直接驱动靶丸图1 2 ) 间接驱动靶结构 ，图1 1 ) 和图1 2 ) 分别为直接驱动和间接驱动的靶结构，直接驱动靶丸 由壳层，固体d t 层，和气体燃料中心组成。直接驱动方式用入射激光或带 电粒子束直接均匀辐照惯性约束靶丸，烧蚀外壳表面，引起外层等离子体向 外喷发，产生向心压缩力驱动内爆。而间接驱动靶丸外有黑腔包裹。间接驱 动先将激光或带电粒子束入射到一个内装靶丸的高z 黑腔的内壁或镶嵌在柱 形腔两端的吸收辐射体上，将沉积的能量高效率地转化为x 射线，然后将x 射线能量输运到靶丸周围烧蚀靶丸表面，驱动靶丸内爆。 惯性约束聚变中，点火条件要求高温、高密度p ，即压缩后卢嫒要达到一 定的数值使燃料达到1 0 8 k 的高温，并达到p 嫒 0 3 9 c r a 2 ，是惯性约束技 术的关键若靶丸被有效压缩，形成热斑的密度为3 o c o ，温度为1 0 8 k 用理想气体状态方程容易估计，其压力接近2 x 1 0 大气压达到如此大的压 强，常规炸药爆轰不可能实现；即使采用高聚焦强度为3 1 0 ”w c m 2 的激光 4 四川大学硕士学位论文 直接照射物质表面也只能产生大约l o 万个大气压的压强因此在激光聚变中 需要采用有效的增压手段，球形内爆技术是一种有效的增压方式。其过程是： 激光首先从各个方向均匀加热球形靶丸表面，在靶丸表层形成一层高温稀薄 等离子体；接着激光通过该稀薄等离子体时，通过逆轫致和某些等离子体的 集体效应被吸收被吸收的激光能量迅速加热电子，使之达到 3 1 0 7 k 5 1 0 7 足的高温。高温电子通过电子热传导又将大部分能量输运到 邻近吸收区的烧蚀层高密度区域，形成一个高温烧蚀阵面，并在此处产生高 的烧蚀压，该过程为一个急剧增压过程，能够将激光压力提高近1 0 0 0 倍。烧 蚀压驱动烧蚀阵面附近的物质，一方面将一部分高温高密度等离子体物质向 外朝低密度的等离子体区喷射；另一方面由于相互作用原理，将剩余的冷物 质压缩并向中心加速运动，产生聚心冲击波，压缩氘氚燃料，该过程为内爆 过程通过球形内爆和内爆过程中的聚心效应，能够使氘氚燃料的压力再增 加1 万1 0 万倍，从而达到点火要求的燃料压力。 激光聚变靶丸通常为球形靶，壳层有内外两层，外层为烧蚀层，内层为 冷冻的或液态的氘氚构成的主燃料层，壳层内的空间充有p s l 0 m g c m 3 低密 度氘氚气体内爆过程可描述为：驱动器在1 2 n s 的时间内，将能量迅速地 传递到烧蚀层。烧蚀层受热并膨胀，当它向外膨胀时，根据动量守恒，烧蚀 层的其余部分便被迫进行向心运动内爆效率( 内爆过程中聚变燃料获得的 能量与驱动器传递给烧蚀层能量之比) 是衡量内爆过程的一个重要特征量， 聚变燃料主要通过内爆过程中烧蚀压对燃料做功获得能量，做功可近似表示 为：驱动器在烧蚀过程中在烧蚀层内产生的烧蚀压力与壳所包围体积的乘积。 因此，对于给定的烧蚀压力，壳层越大越薄，其包含体积越大，它比相同质 量的厚壳更能被加速到更大的速度，相应地也有更大的内爆效率。聚变燃料 点火要求最低能量由可达到的峰值内爆速度决定。 两种流体放于同一容器中，轻流体在下面，重流体在上面，在重力作用 下，这两种流体的界面是不稳定的。一旦界面某一位置有一个小的扰动，它 会随时间发展变大，直至最后混合两种流体这种现象称为瑞利一泰勒不稳 定性 惯性约束聚变靶丸由多种介质组成，内爆过程中，这些介质向内加速运 动当激光或x 射线烧蚀靶丸球壳表面时，在球壳周围形成一层稀薄等离子 四川大学硕士学位论文 体烧蚀阵面把烧蚀层分为两区阵面里面是高密度区，尽管烧蚀层是同一 种介质，可由于烧蚀阵面驱动的烧蚀压力推动球壳向心加速运动，这时的加 速度方向由稀薄等离子体指向未被烧蚀的重介质，此时的烧蚀阵面是一个不 稳定的界面。在内爆的后期，球壳处于减速阶段，这时燃料与球壳的界面又 是不稳定的。如果在两个界面上存在初始的不规则扰动，在内爆过程中这种 扰动会被放大，造成冷热燃料的混合，最终将导致靶丸内爆失败。流体力学 不稳定性和冷热燃料混合是惯性约束聚变的关键物理课题，必须了解和控制 它，实验研究表明这种流体力学不稳定性的发展与热核反应区的形状和中子 产额密切相关通过对热核反应区形状和中子产额的研究能够了解流体力学 力学不稳定性的起因及发展变化趋势，利用中子成像技术可以观察内爆过程 中聚变燃料流体力学不稳定性的变化规律，从而予以控制。 高增益惯性约束聚变要求将燃料最后的密度压缩到1 0 2 9 c m 3 - 1 0 3 9 e r a 3 的 范围，并要求严格控制流体力学不稳定性和内爆对称性影响对称性和稳定 性的因素很多，诸如靶表面驱动源辐照的不均匀性、制靶过程带来的半径、 壳厚度以及密度的公差等。 p 一 高增益内爆靶丸点火要求收缩比c 。s 当在2 0 - 4 0 的范围，这里r j 和胄， r 分别是壳的初始半径和平均半径。如果在中心能够形成热斑，并点火，则要 一 求o r 去r ，这对应于加速度的均匀性必须达到i e 一2 。加速度的均匀性 2 与烧蚀压的均匀性相联系，而烧蚀压的均匀性又依赖于靶丸采用的驱动方式 以及具体的靶丸设计能在靶丸表面沉积的均匀性一般说来，均匀性越好， 收缩比也越大 在直接驱动中，辐照非均匀的来源包括：有限数目的光束，个别束相对 于靶丸的位置，束或靶未对准，束聚焦错位，在个别束之间的功率或能量不 平衡，与个别束径向分布相联系的强度非均匀性非均匀效应引起的扰动， 主要由个别束径向分布的非均匀性引起；其它源引起长波长扰动，属于对称 性问题 在电晕区，由于电子温度很高，横向熟传导可以部分地光滑掉某些能量 沉积的不均匀性，改变辐射不均匀性最有效的方法是增加驱动源的光束数目 为消除长波扰动，保证有效的辐照均匀性，至少要求6 0 束光束 6 四川大学硕士学位论文 在激光聚焦焦斑中，由于激光束中位相和振幅的误差可能造成能量的不 规则分布，它引起短波长的非均匀性。这些短波长的扰动可能成为瑞利一泰 勒不稳定性的诱因，在内爆期间会发展，有潜在的危险。在实验上采用一些 技术可以弥补和改进个别光束的质量 间接驱动内爆情况下，靶丸放置在黑腔产生的辐射场中央可大大放松对 个别光束质量的要求；另外，x 射线驱动的烧蚀与直接驱动比较有更好的烧 蚀致稳效果。 靶丸由多路激光变为热辐射辐照，由于若干束激光或粒子束产生的x 射 线在通过黑腔时经过环境的改造，将空间非均匀性减小。但是由于激光加热 区的直接发射以及x 射线在激光入射孔的损失，长波长的非均匀性不会有效 的减小。 靶丸受照压缩的对称性将影响内爆过程中热核反应区的形状，通过观察 该反应区的形状可以了解实验过程中驱动源的非均匀性对靶丸内爆过程的影 响，从而予以改进。热核反应中子直接由热核反应发生处发出，如果能够用 热核反应中子对反应区进行成像，所得到的像将能够更准确地反映热核反应 区的形状，从而对实验进行指导，并检验内爆动力学理论，所以发展中子成 像技术对惯性约束聚变极其重要。 1 3 诊断技术 惯性约束聚变等离子体密度分布范围广，聚变过程时间短，反应区域小， 反应产物复杂。要了解聚变过程中等离子体的具体行为必须借助一些灵敏的 诊断方法。惯性约束聚变中，常规的诊断方法很多，可分为主动和被动两种 方式。“被动式”指利用等离子体自身辐射的x 光、电子、离子、中子等进行 直接诊断：“主动式”则是向被诊断的等离子体内注入一诊断柬( 或光学束、 或x 射线束、或x 光激光束、或粒子束等) ，再利用该诊断束携带出信息对 等离子体进行分析。 随着各国对惯性约束核聚变( i c f ) 研究的深入，有很多问题有待解决。 激光约束核聚变中，激光驱动靶丸内爆时，靶丸压缩的对称性是内爆成功与 否的关键性问题，可以利用靶丸在内爆过程中产生的穿透力很强的各种射线 来对靶丸进行成像。目前比较成熟的方法是利用x 射线进行成像；然而，随 着靶丸尺寸的增大，聚变燃料的密度的增加，内爆形成的等离子体对x 射线 7 四川大学硕士学位论文 的吸收大大增强，造成了靶丸不透明度的增加，这使得用x 射线成像技术来 对靶丸内爆的对称性诊断变得困难起来。中子作为热核反应产物，它不带电， 出射过程中，除去与氘氚燃料的碰撞作用外，受等离子状态影响小，能够真 实反映热核反应区的原始情况。中子成像技术是一种较有潜力的i c f 诊断技 术，然而中子产额限制了中子成像技术的运用。早期的i c f 中子产额较低， 无法得到有效的中子像；然而随着激光技术的发展，聚变靶丸尺寸密度都可 以做得更大，中子产额得到了很大的提高。在这种情况下，中子成像技术得 到了更多的重视。目前有三个国家的一些研究小组从事i c f 中子成像技术相 关的研究工作。在美国l a w r e n c el i v e r m o r e 国家实验室，以d r e s s 和& a l e r c h e 为首的研究小组首次用中子半影成像方法获得了i c f 热核反应区分辨 率为8 0 微米的像【3 】，但此后他们的工作没有新的结果报道出来：而l o s a l a m o s 国家实验室的d c w i l s o n 和c 1 乙c h r i s t e n s e n 等人则在o m e g a 上 开展中子针孔成像方面的研究，并于2 0 0 3 年发表了他们的首个针孔成像结果 4 】。在法国，以l d i s d i e r 和a r o u y e r 为首的小组利用中子半影成像技术获 得了一系列的结果 5 1 ，2 0 0 6 年他们发表了的最新结果的分辨率已经做到了2 0 微米 6 】【7 】。另一个日本的研究小组主要采用编码成像技术，也获得了一些不 错的结果【8 】。 我国由于试验条件限制，中子产额不能够满足中子成像的需求，所以该 技术一直处在调研阶段。随着国家重点工程神光的建设，预计在将来建成 的神光i 上将能得到较高的中子产额，届时将能够进行中子成像的相关研 究。虽然硬件条件暂时还不能满足，但是这项关键技术前期的准备工作需尽 快开展起来。我们完成了相关的调研和准备工作，其中一项关键内容是中子 半影成像反演程序的编写工作，本论文首先采用目前普遍采用的维纳滤波方 法对模拟中子半影像进行重建，然后引入了分子动力学方法，该方法的结果 要明显优于维纳方法，为今后神光i 上的中子半影成像技术提供了一种较好 的重建方法，下文将主要介绍中子半影成像技术的一些关键问题，重点介绍 分子动力学重建方法 四川大学硕士学位论文 参考文献 【l 】王乃彦聚变能及其未来清华大学出版社2 0 0 1 1 1l 1 2 0 2 】张钧，常铁强激光核聚变靶物理基础国防工业出版社2 0 0 4 1 7 6 - q 8 5 【3 】d r o s s ，1 lal e r c h e ，i ca n u g e n t n e u t r o nh m g i n go f i n e r t i mc o n f i n e m e n t f u s i o n t a r g e t s a t n o v a r e v s d 1 n s t n l m 1 9 8 8 5 9 1 6 9 4 - q 6 9 6 4 】c 1 乙c l i r i s t e n s e n ，e ta 1 f i r s tr e s u l t so fp i n h o l en e u t r o ni m a g i n gf o ri n e r t i m c o n f i n e m e n tf u s i o n r e v s d i n s t m m 2 0 0 3 7 4 2 9 6 0 - - 2 9 6 4 【5 】l d i s d i e r , e ta 1 h i g h - r o s o l u t i o ni m a g i n go fl a s e ri m p l o d e dd tt a r g e t s n u c l ， i n s t n mm e t h o d sp h y s r e , 九2 0 0 2 4 8 9 4 9 6 5 0 2 【6 】ld i s d i e r , e ta 1 i n e r t i mc o n f i n e m e n tf u s i o nn e u t r o ni m a g o s p h y s i c so f p l a s m a s 2 伽蛀1 3 0 5 6 3 17 - l 一6 【7 】l d i s d i e r , e ta 1 n e u t r o ni 础l g i n go fi c ft a r g e tp l a s m a s r e v s d i n s t r u m 2 0 0 3 7 4 1 8 3 2 1 8 3 6 【8 】s h i n y an o z a k i ，e ca 1 h e u r i s t i cr e c o n s t r u c t i o n so fn e u t r o np e n u m b r a li m a g e s r e v s c i i n s t r u m 2 0 0 4 7 5 3 9 8 0 - - 3 9 8 2 9 四川大学硕士学位论文 第二章中子成像技术 目前主要采用聚变产物如：x 光和高能粒子( 如，射线、口粒子、质子和 中子等) 来对聚变靶丸进行诊断由于热核反应中子射程长、不带电、受干 扰小，可以远距离成像；所以中子成像技术是验证辐射驱动对称性的理想办 法这也是国际上做i c f 相关研究所积极发展的一种重要诊断手段。 2 1 几种中子成像技术 可采用的中子诊断技术有： 。 l 、单针孔成像技术 中子针孔成像原理是利用中子的直线传播，类似于光辐射的小孔成像原 理，能够直接得到源的形状。由于中子穿透力很强，需要选择合适的针孔材 料，通常采用钨、铅和金等材料，所用针孔是贯穿这些材料上的一个细的深 孔该方法分辨率高( 分辨率= d ( 1 + 1 m ) ，d 为针孔有效尺寸，m 为系统 放大倍数) 。但针孔尺寸往往较小，中子透过率小，信噪比低，尤其在靶丸中 子产额较低时难以成像；另外由于针孔尺寸过小，装置对准也比较困难。该 方法对中子产额要求较高，约需1 0 1 4 s h o t 以上【1 】【2 】。 2 、多针孔成像 该方法具有单针孔成像高分辨率的优点，并且通过增加针孔数量大大提 府 高了光收集效率，可获得弱光源的图像，并且信噪比较高( 为单针孔的、f 詈倍， iz 其中n 为针孔总数) ，但对高能深穿透辐射来说，为防止穿透，要求孔径厚度 要比较大，在厚板上加工众多细小针孔很困难，并且现有的几种针孔编码技 术有下列缺点【3 】： ( a ) 、随机数组：通光量大，但自相关函数为高斯分布，相关噪声较大， 易产生伪像 ( b ) 、非冗余数组：白相关函数倒数为万函数，但开孔数很少，接受的 1 0 四川大学硕士学位论文 辐射数量有限，对辐射目标难以成像。 3 、菲涅尔波带板 它由许多同心环带组成的薄片，半径( r n ) 满足： 1 2 c = 矾2 + 一2 三，( n _ 1 ，2 n ) ( 2 1 ) 。 4 式中名为射线波长，n 为波带数。其特点是环带宽度随半径增大逐渐变窄， 边缘环带十分窄。而对于高能射线成像来说，带板厚度要求足够大，从而造 成了加工上的困难，故菲涅尔波带板成像一般不适用于高能射线成像【4 】。 4 、环孔编码成像 采用单个圆环来代替菲涅尔波带板的一组圆环，它的光收集效率相对针 孔较高，信噪比也大为提高，与等价分辨率的单针孔成像相比，信噪比有 1 5 1 0 0 倍的改善。并且，这种方法的时间分辨较高，但对快中子这样的高穿 透率射线来说，该成像方法有两个主要困难，一个是环孔孔径制作较困难， 另一个是系统装调和对准难度较大。 5 、半影成像 这种方法孔径加工简单、造价低、光收集率高、分辨率较容易提高，可 以很容易加工成厚尺寸孔径，而且装置对准简单。特别适用于对快中子这样 的高能射线进行编码成像，但比较容易受深穿透中子背景的影响。 中子成像时，由于惯性约束聚变发出的中子大都是1 4 m e v 的快中子，比 x 射线能量( 一般为几k e v - l 十k j v ) 高出很多，同时其穿透性非常强，孔 径必须做得非常厚( 约5 c m ) 。对于中子成像，一个可行的孔径制作方案是在 一个几厘米厚的基片上挖出一个几百微米的圆孔或多边形孔，所成的中子像 为半影像，故该成像方式称作半影成像技术。通过对获得的半影图像修正后， 反演出聚变靶热核反应区的形状。 考虑到针孔成像对中子产额要求较高的缺点，编码成像技术受到了更多 的重视。编码成像过程如下： f ( ，) = j h ( r ；r ) 。( r ) 毋， ( 2 2 ) o ( r ) 为源强，h ( r ) 为编码孔的编码函数，i ( r ) 为编码像。h ( r ) 决定于编码孔，选 择合适的编码孔是编码成像技术的关键。根据编码孔的不同，目前采用的编 码成像技术有：波带片成像、多针孔成像和半影成像。前两种成像方法虽然 四川大学硕士学位论文 分辨率较高，但编码孔加工困难，所以目前普遍采用半影成像。半影成像比 针孔成像立体角大、灵敏度高，半影成像中子产额要求低：y n 1 0 s s h o t ，而 且半影成像编码孔制作较针孔简单，半影成像瞄准较容易。目前，我国的i c f 驱动器功率较低；中子产额少，适合采用半影成像。下面我们将重点介绍半 影成像方法和成像过程的模拟。 2 2 中子半影成像 2 2 1 中子半影成像原理 图2 1 ) 中子半影成像原理 中子半影成像原理如图2 1 ) 所示：中子半影成像过程中，热核反应产生 的1 4 1 兆的热核反应中子从内爆靶丸中子产生区发射出来，与半影孔材料发 生弹性散射。由于半影孔材料一般是钨、金、铅等重金属，与半影孔材料原 子发生弹性碰撞的中子通常发生大角度弹性散射。探测器通常不能做得很大， 所张立体角较小，故绝大部分大角度散射中子不能到达探测器。只有直接经 过半影孔孔隙的热核反应中子、少数直穿中子和一些散射中子能够到达探测 器表面，这些中子与探测器材料原子发生碰撞，在其中沉积能量并被纪录下 来。由于半影孔的三维形状，探测器上的半影像通常由亮度较高的亮区和围 绕亮区的亮度相对较弱的半影区组成，该成像过程实际上是中子在真空及半 影孔材料中的输运过程，可表示为： f ( ，) = p ( r ，。) 口( r 。) d r ( 2 2 ) 四川大学硬士学位论文 上述编码过程一般是一个非线性的成像过程，如果满足一定的近轴条件， 该过程可近似为线性过程，近轴条件要求半影孔半径r 和源半径d 必须满 足： 2 r 半等， 晓s ， 式中：，o 为源到半影孔的距离：为半影孔到探测器的距离。满足近轴条件时， 半影像是中子源强分布和半影孔点扩散函数( p o i n ts p r e a df u n c t i o n ，即p s f ) 的卷积；半影像的强度分布i ( r ) 为： f ( ，) = 似( r 一，。) d ( r ) 毋。， ( 2 4 ) 式中，o ( r ) 是中子源的强度分布，h ( f ) 代表p s f 5 考虑到实际物体是三维的，探测器上每个点收集到的信号来自源不同深 度z 的信号，故 f i ( x ，力= i o n _ ，一三弘z ) h ( x , y , z ) d z ， ( 2 5 ) 二 z 可以看出，由于参数z 的存在，不同深度的各个物平面分别稍微以不同 的方式经过孔径成像。 利用卷积定理，上式的傅氏变换形式为： l ( u ，v ) = l o ( u ，v ，z ) n ( u ，v , z ) d z ， 其中 ，v 加d ( 一i l 一i 1 ，z ) e x p 2 n ( u x + v y ) l a x d y 日( ，z ) = m ( x ，y ，z ) e x p 2 n ( u x + v y ) a k d y 在解码过程中，为了得到物体某一深度z 1 的信息， 滤波器进行还原，在频域内有 o ( u ，v , z 1 ) = d ( u ，v ，毛) ，似， d ( u ，v ，力是滤波器的傅氏变换。这样 ( 2 6 ) 需将编码图像经过一 ( 2 7 ) 四川大学硕士学位论文 d ( ”，v ) z i ) - = i o o , ，v z ) ，v ，z ) d ，v z , ) d z ， 只需 h ( u ，v ，z ) d ( u ，v ，z 1 ) = 6 ( z z 1 ) ， 便可得到 o ( g ) v ) z 1 ) = 肛”，b z ) j o 一毛姥= d ( ”，v