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强流加速器基于空间限束的亚毫米焦斑产生技术研究

王毅 李劲 李勤 代志勇

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强流加速器基于空间限束的亚毫米焦斑产生技术研究

    作者简介: 王毅(1983—),男,博士,从事强流电子束及X光探测技术研究;wangyi_caep@163.com.
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(11875242)
  • 中图分类号: O434.1;TL506

Generation of sub-mm focal spot for intense-current accelerator utilizing spatial collimating restriction

  • CLC number: O434.1;TL506

  • 摘要: 焦斑大小是评价加速器性能的关键指标之一,减小焦斑尺寸可以有效提高闪光照相中对客体成像的空间分辨能力。本文研究设计空间限束结构,减小加速器光源焦斑的有效尺寸降低成像几何模糊。采用蒙特卡罗方法对电子束打靶产生轫致辐射和光子穿过空间限束结构的成像过程进行模拟,分析采用不同空间限束结构时光源有效焦斑的分布及大小、光子角度分布和能谱分布等特征参数。理论计算结果表明,通过空间限束可以使强流加速器光源焦斑FWHM减小至亚毫米量级。
  • 图 1  空间限束结构示意图

    Fig. 1  Schematic of X-ray collimating

    图 2  无准直体时光源焦斑分布

    Fig. 2  Spatial distribution of source spot without collimating structure

    图 3  准直结构1条件下的光源焦斑分布

    Fig. 3  Spatial distribution of source spot with the 1st collimating structure

    图 4  准直结构2条件下的光源焦斑分布

    Fig. 4  Spatial distribution of source spot with the 2nd collimating structure

    图 5  光源焦斑分布MTF曲线

    Fig. 5  MTF curves of the source spot

    图 6  无准直体时光源照射量角度分布

    Fig. 6  Angular distribution of the light source radiation without collimating structure

    图 7  限束结构1条件下的光源照射量角度分布.

    Fig. 7  Angular distribution of the light source radiation with the 1st collimating structure

    图 8  限束结构2条件下的光源照射量角度分布

    Fig. 8  Angular distribution of the light source radiation with the 2nd collimating structure

    图 9  无准直体时正前方光子数量谱分布

    Fig. 9  Photon spectra at straight forward direction without the 1st collimating structure

    图 10  准直结构1条件下正前方光子数量谱分布

    Fig. 10  Photon spectra at straight forward direction with the 1st collimating structure.

    图 11  准直结构2条件下正前方光子数量谱分布

    Fig. 11  Photon spectra at straight forward direction with the 2nd collimating structure

    表 1  有无限束结构条件下的光源焦斑尺寸

    Table 1  Comparison of light source spot size between with and without collimating structures

    collimating structureFWHM of electron beam /mmFWHM of light source/mmf50%MTF/mm-1D50%MTF/mmD50%MTF /FWHM
    without collimating structure1.501.520.302.391.56
    2.001.980.223.181.61
    3.003.050.164.451.45
    No. 1 collimating structure1.500.660.641.101.50
    2.000.680.591.191.60
    3.000.710.561.271.66
    No.2 collimating structure1.500.850.581.211.34
    2.000.890.541.301.35
    3.000.920.501.411.47
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    表 2  有无限束结构条件下的光源照射量分布

    Table 2  Comparison of light source radiation between with and without collimating structures

    collimating
    structure
    FWHM of electron
    beam /mm
    maximum of exposure/
    (10−13 R/electron)
    emitting angle at half maximum
    of exposure /(。)
    photon number flux /
    (10−4/cm2/electron)
    average photon
    energy /MeV
    without collimating structure1.506.316.556.333.06
    2.006.925.816.903.08
    3.007.565.177.523.09
    No. 1 collimating structure1.501.481.211.283.61
    2.001.021.240.873.65
    3.000.551.280.463.69
    No. 2 collimating structure1.502.021.261.803.46
    2.001.421.291.253.52
    3.000.771.320.673.57
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-15
  • 录用日期:  2020-02-01
  • 网络出版日期:  2020-02-14

强流加速器基于空间限束的亚毫米焦斑产生技术研究

    作者简介: 王毅(1983—),男,博士,从事强流电子束及X光探测技术研究;wangyi_caep@163.com
  • 中国工程物理研究院流体物理研究所,中物院脉冲功率科学与技术重点实验室,四川 绵阳 621900

摘要: 焦斑大小是评价加速器性能的关键指标之一,减小焦斑尺寸可以有效提高闪光照相中对客体成像的空间分辨能力。本文研究设计空间限束结构,减小加速器光源焦斑的有效尺寸降低成像几何模糊。采用蒙特卡罗方法对电子束打靶产生轫致辐射和光子穿过空间限束结构的成像过程进行模拟,分析采用不同空间限束结构时光源有效焦斑的分布及大小、光子角度分布和能谱分布等特征参数。理论计算结果表明,通过空间限束可以使强流加速器光源焦斑FWHM减小至亚毫米量级。

English Abstract

  • 在闪光照相中,直线感应加速器产生出高能(18~20 MeV)、强流(2~2.5 kA)的脉冲电子束,经磁透镜聚焦后轰击到高原子序数靶上发生轫致辐射,为流体动力学过程的实验诊断研究提供高通量的光源[1-3]。焦斑大小是评价加速器性能的关键指标之一,减小焦斑尺寸可以降低成像的几何模糊,从而有效提高客体内部边界的空间分辨能力[4]。光源焦斑的分布及大小是由电子束聚焦打靶时的状态以及电子与转换靶的作用过程所决定的。由于受到电子束的发射度、能散度、聚焦磁场匹配以及靶材特性、结构等条件因素的限制,进一步减小强流加速器光源焦斑的FWHM至亚毫米量级存在相当大的困难。闪光照相中引起成像几何模糊的根本原因在于光源源面具有一定的横向尺寸,源面不同位置处出射的光子穿过某一物点后到达像平面上会形成一定的空间展宽。通过在光路中设置空间限束结构,能够限制源面上可以到达同一物点的光子出射位置范围,从而降低客体成像时的几何模糊,获得更小的有效焦斑尺寸。但与此同时,光源的空间视场将受到一定限制,照射到客体的光子的能谱分布也将发生相应变化。

    本文采用蒙特卡罗方法,对一定发射度条件下电子束打靶时的轫致辐射和光子穿过空间限束结构的成像过程进行模拟,计算分析不同空间限束结构对光源有效焦斑分布及大小,光场空间分布和光子能谱分布的影响。

    • 能量为18~20 MeV的电子束聚焦打靶后产生光子,其平均能量可达到MeV量级,具有极强的穿透性。空间限束装置需采用较厚的高密度材料(如钨、铅等)制作。研究中采用钨作为基体材料,其密度可达到约19 g/cm3,其厚度为$L = 100\;{\rm{ mm}}$,可以保证光子基本不能穿透整个基本材料(透射率低于1%)。为使光源经过空间限束后仍具有较好的空间视场角度范围,限束装置需采用锥孔结构,且位置尽可能靠近靶面。

      图  1  空间限束结构示意图

      Figure 1.  Schematic of X-ray collimating

      本文设计分析两种限束准直结构参数:(1)准直结构1:锥孔入口直径${d_1} = 0.5\;{\rm{ mm}}$,出口直径${d_2} = 4.0\;{\rm{ mm}}$;(2)准直结构2:锥孔入口直径${d_1} = 0.7\;{\rm{ mm}}$,出口直径${d_2} = 4.2\;{\rm{ mm}}$。两种结构的基体厚度均为$L = 100\;{\rm{ mm}}$。通过计算可知,两种结构下锥孔的几何张角均为$\alpha {\rm{ = 2arctan}}\left[ {{{({d_2} - {d_1})} / {(2L)}}} \right] \approx {2.0^ \circ }$

    • 蒙特卡罗方法是一种基于随机抽样的统计实验方法,广泛应用于电子、光子等粒子输运问题研究。通用的蒙特卡罗方法包括MCNP[5],Geant4[6]和EGS[7]等,其中以美国LANL应用理论物理部蒙特卡罗小组研制的MCNP最为著名。本文应用MCNP程序对电子束轰击靶材的轫致辐射和光子穿过限束结构的辐射成像过程进行模拟,分析比较空间限束对光源有效焦斑的分布及大小、光子空间角度分布和能谱分布的影响。

      高能电子束打靶产生的光子具有很强的前冲性,电子在靶材内的运动路径以及光子出射的空间分布均与电子束的发射度和聚焦状态密切相关[8]。电子束的归一化均方根发射度可以表示为

      ${\varepsilon _{{\rm{rms}}}} = \beta \gamma {\left( {{{{\tilde {x}}}^2}{{{\tilde {x}}}^{'2}} - {{\left\langle {{{\tilde {x}}}{{\tilde {x}}'}} \right\rangle }^2}} \right)^{{1 / 2}}}$

      (1)

      式中:$\beta $表示电子相对论速度因子;$\gamma $表示相对论能量因子;${\tilde {x}}$${\tilde {x}}'$分别表示x方向的均方根半径和均方根发散角。当靶材位于电子束束腰处时,靶面上电子束归一化均方根发射度的表达式可简化为

      ${\varepsilon _{{\rm{rms}}}} = \beta \gamma {\tilde {x}}{\tilde {x}}'$

      (2)

      在实际相空间中,电子束的位置与发散角具有相关性,在半径越小的位置上电子束发散角宽度越大。为简单起见,建模时将电子束半径和发散角考虑为相互独立的高斯分布。

      光源空间尺寸及分布导致成像几何模糊的原因在于,光源具有一定的横向尺寸,当源面上不同位置出射光子经过某一特定物点后,会在到达像平面时形成一定空间展宽。而这一过程与理想小孔成像完全一致,因此计算时可采用理想小孔成像的方法分析特定物点位置处的有效光源焦斑。MCNP中提供了针孔成像通量探测器(Flux image by pinhole,FIP),可无需构造实际的物理针孔屏蔽体而实现理想小孔的辐射成像模拟。本文研究中针对光源正前方1 m处的物点分析光源的有效焦斑。建模时将理想小孔位置设置于光轴上靶前1 m处,利用像平面上的成像分布FWHM(D)和成像布局的物距(源面到理想小孔位置的距离,记为L1)像距(像面到理想小孔位置的距离,记为L2)关系可以获得光源的有效焦斑FWHM(D0),即

      ${D_{\rm{0}}} = \frac{{{L_1}}}{{{L_2}}}D$

      (3)

      模拟计算时,设定打靶电子束能量为19 MeV,归一化均方根发射度为750 mm∙mrad(对应归一化边发射度为300 0 mm∙mrad)。靶材选用1.2 mm厚的钽,限束结构的入射面到钽靶出射面的距离为2 mm。由式(2)可知,靶面上电子束不同聚焦尺寸对应不同的发散角。如,当靶面上电子束FWHM为2.0 mm时,可以计算得到其均方根半径和均方根发散角分别为${\tilde {x}} = 0.849\;{\rm{ mm}}$${\tilde {x}}' = 23.1\;{\rm{ mrad}}$

    • 当没有空间限束结构时,电子束打靶产生的光源焦斑分布如图2所示。打靶电子束均设定为高斯分布,FWHM分别为1.5,2.0和3.0 mm。经过空间限束结构后,光源有效焦斑的空间分布如图34所示。

      图  2  无准直体时光源焦斑分布

      Figure 2.  Spatial distribution of source spot without collimating structure

      图  3  准直结构1条件下的光源焦斑分布

      Figure 3.  Spatial distribution of source spot with the 1st collimating structure

      图  4  准直结构2条件下的光源焦斑分布

      Figure 4.  Spatial distribution of source spot with the 2nd collimating structure

      图5所示为不同空间限束结构下有效焦斑分布的调制传递函数(modulation transfer function,MTF)曲线。MTF的作用相当于一种用于分析空间频谱信息的低通滤波器。在LANL定义[9]里,将不同分布的焦斑等效为在MTF峰值一半处具有相同空间频率值(${f_{50\% {\rm{MTF}}}}$)的均匀圆盘分布,此时焦斑尺寸(${D_{50\% {\rm{MTF}}}}$)可用该等效均匀圆盘分布的直径来表示,即

      图  5  光源焦斑分布MTF曲线

      Figure 5.  MTF curves of the source spot

      ${D_{50\% {\rm{MTF}}}} = \frac{{0.705}}{{{f_{50\% {\rm{MTF}}}}M}}$

      (4)

      式中:M表示成像的几何放大比。LANL定义下的焦斑尺寸${D_{50\% {\rm{MTF}}}}$与FWHM存在一定比例关系,其比例值与分布相关,在KV、Gauss、Bennett和Quasi-Bennett分布下分别为1,1.6,2.7和4.1[10]

      表1对比了有无空间限束结构条件下的焦斑有效尺寸。在不经过空间限束时,光源焦斑的FWHM与入射电子束基本一致。在受到空间限束后,光源有效焦斑的FWHM和分布与打靶电子束相比均存在明显差异。可以看到,有效焦斑的主要决定因素是空间限束结构的参数,打靶电子束尺寸变化的影响非常小。在两种限束结构参数条件下,有效焦斑FWHM均小于1 mm。同时可以看到,限束结构对焦斑两侧边沿存在一定“切削”作用,实际呈现的有效焦斑分布介于KV分布和Gauss分布之间。采用限束结构1时,${D_{50\% {\rm{MTF}}}}$与FWHM的平均比值为1.59。采用限束结构2时,${D_{50\% {\rm{MTF}}}}$与FWHM的平均比值为1.39。

      表 1  有无限束结构条件下的光源焦斑尺寸

      Table 1.  Comparison of light source spot size between with and without collimating structures

      collimating structureFWHM of electron beam /mmFWHM of light source/mmf50%MTF/mm-1D50%MTF/mmD50%MTF /FWHM
      without collimating structure1.501.520.302.391.56
      2.001.980.223.181.61
      3.003.050.164.451.45
      No. 1 collimating structure1.500.660.641.101.50
      2.000.680.591.191.60
      3.000.710.561.271.66
      No.2 collimating structure1.500.850.581.211.34
      2.000.890.541.301.35
      3.000.920.501.411.47
    • 当不经过空间限束时,靶前1 m处照射量的空间角度分布如图6所示。随着打靶电子束横向FWHM的增大,正前方光轴上的照射量在逐渐增大而空间角度分布宽度在减小。这是由于当电子束发射度一定时,电子束的发散角将随着电子束半径增大而减小,此时产生所光子的前冲性增强,出射方向更多地趋向于正前方主光轴方向。

      图  6  无准直体时光源照射量角度分布

      Figure 6.  Angular distribution of the light source radiation without collimating structure

      经过空间限束后,光源照射量的空间角度分布如图78所示。可以看到,正前方光轴上的照射量与无空间限束时相比均明显降低。照射量空间角度分布宽度基本决定于空间限束结构的参数,受打靶电子束的状态影响很小。当准直孔径增大时,由于受到空间阻挡减小,正前方照射量将增大。对同一空间限束准直结构,正前方照射量峰值随着打靶电子束FWHM增大而减小,这是由于电子束FWHM增大时被限束结构阻挡的光子更多所致。

      图  7  限束结构1条件下的光源照射量角度分布.

      Figure 7.  Angular distribution of the light source radiation with the 1st collimating structure

      图  8  限束结构2条件下的光源照射量角度分布

      Figure 8.  Angular distribution of the light source radiation with the 2nd collimating structure

      空间限束对正前方光子能谱分布的影响如图911所示。采用限束结构后,正前方光子数通量和能通量均会减小。相对而言,低能光子在限束结构内的衰减比高能光子更多,这将引起光子谱的硬化,使平均光子能量增大。从表2可以看到,当限束准直孔越小时,光子谱的硬化程度越高,平均光子能量越大。但由于光子能量较高(特别是达到MeV)时,光子在材料中的质量衰减系数随能量变化非常缓慢,平均光子能量的变化对闪光照相的实际影响非常小。

      表 2  有无限束结构条件下的光源照射量分布

      Table 2.  Comparison of light source radiation between with and without collimating structures

      collimating
      structure
      FWHM of electron
      beam /mm
      maximum of exposure/
      (10−13 R/electron)
      emitting angle at half maximum
      of exposure /(。)
      photon number flux /
      (10−4/cm2/electron)
      average photon
      energy /MeV
      without collimating structure1.506.316.556.333.06
      2.006.925.816.903.08
      3.007.565.177.523.09
      No. 1 collimating structure1.501.481.211.283.61
      2.001.021.240.873.65
      3.000.551.280.463.69
      No. 2 collimating structure1.502.021.261.803.46
      2.001.421.291.253.52
      3.000.771.320.673.57

      图  9  无准直体时正前方光子数量谱分布

      Figure 9.  Photon spectra at straight forward direction without the 1st collimating structure

      图  10  准直结构1条件下正前方光子数量谱分布

      Figure 10.  Photon spectra at straight forward direction with the 1st collimating structure.

      图  11  准直结构2条件下正前方光子数量谱分布

      Figure 11.  Photon spectra at straight forward direction with the 2nd collimating structure

    • 本文研究利用空间限束的方法,通过限制减小加速器轫致辐射源面上可以到达物点的出射光子位置范围,有效降低客体成像时的几何模糊,获得亚毫米FWHM的有效焦斑。对打靶电子束发射度条件进行建模,利用蒙特卡罗方法对光源产生和准直孔空间限束过程进行模拟,分别计算对比没有限束结构和不同限束结构参数下光源的有效焦斑、光子空间分布和能谱分布的影响。结果显示,设计的空间限束结构可以减小光源有效焦斑FWHM至亚毫米。与此同时,正前方照射量峰值和光子角度分布宽度出现一定程度减小,光子能谱会出现硬化平均光子能量增大。

参考文献 (10)

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