Generation of sub-mm focal spot for intense-current accelerator utilizing spatial collimating restriction
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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。
Abstract:Focal spot size is a key parameter for evaluating the resolving power of the accelerator. A reduction in the focal spot size can effectively improve the spatial resolution of the object. This work studies and designs collimator structures for spatial restriction, which help to reduce the geometry blur of imaging and thus obtain a smaller effective spot-size. The Monte Carlo method is applied to simulate the generation of the light source and the imaging process of the spatial restriction structures. The parameters of the light source with different collimator structures are analyzed, including the distribution and size of the effective focal spot, the angular distribution and the spectrum of the photons. Theoretical calculations show that an effective focal spot size with a sub-mm scale can be obtained by means of spatial restriction at the expense of a partial loss of the field-of-view and the exposure.
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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 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
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
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 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
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 imaging processes with and without collimating structures
collimating structure FWHM of electron beam /mm FWHM of light source/mm f50%MTF/mm-1 D50%MTF/mm D50%MTF /FWHM without collimating structure 1.50 1.52 0.30 2.39 1.56 2.00 1.98 0.22 3.18 1.61 3.00 3.05 0.16 4.45 1.45 the 1st collimating structure 1.50 0.66 0.64 1.10 1.50 2.00 0.68 0.59 1.19 1.60 3.00 0.71 0.56 1.27 1.66 the 2nd collimating structure 1.50 0.85 0.58 1.21 1.34 2.00 0.89 0.54 1.30 1.35 3.00 0.92 0.50 1.41 1.47 
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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 imaging processes with and without collimating structures
collimating
structureFWHM of electron
beam /mmmaximum of exposure/
（10−13R/electron）emitting angle at half maximum
of exposure /（°）photon number flux /
（10−4cm−2·electron−1）average photon
energy /MeVwithout collimating structure 1.50 6.31 6.55 6.33 3.06 2.00 6.92 5.81 6.90 3.08 3.00 7.56 5.17 7.52 3.09 the 1st collimating structure 1.50 1.48 1.21 1.28 3.61 2.00 1.02 1.24 0.87 3.65 3.00 0.55 1.28 0.46 3.69 the 2nd collimating structure 1.50 2.02 1.26 1.80 3.46 2.00 1.42 1.29 1.25 3.52 3.00 0.77 1.32 0.67 3.57
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[1] Boyd T J, Rogers B T, Tesche R R, et al. PHERMEX—A high-current electron accelerator for use in dynamic radiography[J]. Rev Sci Instrum, 1965, 36: 1401-1408. doi: 10.1063/1.1719343 [2] Scarpetti R D, Boyd J K, Earley G G, et al. Upgrades to the LLNL flash X-ray induction linear accelerator (FXR)[C]//11th IEEE International Pulsed Power Conference — Digest of Technical Papers. 1997, 1/2: 597–602. [3] 邓建军, 丁伯南, 王华岑, 等. “神龙一号”直线感应加速器物理设计[J]. 强激光与粒子束, 2003, 15(5):502-504. (Deng Jianjun, Ding Bonan, Wang Huacen, et al. , Physical design of the Dragon-I linear induction accelerator[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2003, 15(5): 502-504 [4] 施将君. 高能闪光照相引论[M]. 北京: 国防工业出版社, 1997.Shi Jiangjun. Introduction of high-energy flash radiography[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 1997 [5] Briesmeister J F. MCNP – A general Monte Carlo N-particle transport code – Version 4C[R]. LA-13709-M, 2000. [6] Agostinelli S, Allison J, Amako K, et al. Geant4 – a simulation toolkit[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A – Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment, 2003, 506(3): 250-303. [7] Kawrakow I, Rogers D W O. The EGSncr code system: Monte Carlo simulation of electron and photon transport[R]. Ottawa: National Research Council of Canada, 2002. [8] 王毅, 李勤, 代志勇. 蒙特卡罗模拟分析电子束发射度对照射量空间分布影响[J]. 强激光与粒子束, 2017, 29:065006. (Wang Yi, Li Qin, Dai Zhiyong. Analysis on influence of beam emittance on spatial distribution of exposure using Monte Carlo simulation[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2017, 29: 065006 doi: 10.11884/HPLPB201729.170029 [9] Muller K H. Measurement and characterization of X-ray spot size[R]. LA-UR-89-1886, 1989. [10] Ekdahl C. Characterizing flash-radiography source spots[J]. Journal of the Optical Society of America A, 2011, 28(12): 2501-2509. doi: 10.1364/JOSAA.28.002501 期刊类型引用(24)
1. 孙仕豪，郑也，于淼，李思源，曹镱，王军龙，王学锋. 基于多纵模振荡种子源的高功率窄线宽光纤激光器关键技术分析及研究现状. 中国光学(中英文). 2024(01): 38-51 . 
百度学术2. 崔国栋，赵鸿，张利明，张大勇，吕华昌. 高功率线偏振窄线宽光纤激光器TMI抑制. 激光与红外. 2024(05): 692-696 . 百度学术3. 许阳，房强，崔雪龙，赵一柱，丁香栋，许海鑫，陈鲁兵，侯博文，史伟. 1.6 kW 8 GHz线宽线偏振窄线宽全光纤激光器. 中国激光. 2024(13): 87-94 . 百度学术4. 龙金虎，粟荣涛，常洪祥，侯天悦，常琦，蒋敏，张嘉怡，马阎星，马鹏飞，周朴. 基于空间结构内部锁相的光纤激光相干合成技术. 强激光与粒子束. 2023(04): 101-112 . 本站查看5. 常洪祥，粟荣涛，龙金虎，常琦，马鹏飞，马阎星，周朴. 全光纤激光阵列主动相位控制技术研究进展. 强激光与粒子束. 2023(04): 53-62 . 本站查看6. 闫玥芳，陶汝茂，刘玙，李雨薇，张昊宇，楚秋慧，李敏，舒强，冯曦，黄文会，景峰. 基于光纤合束器件的高功率全光纤相干合成技术研究进展与展望. 强激光与粒子束. 2023(04): 63-76 . 本站查看7. 王勇能，李福建，饶大幸，崔勇，赵晓晖，贺瑞敬，季来林，高妍琦，隋展，陈华才. 紧凑型光谱组束系统中光纤阵列扰动对光束质量的影响分析. 中国激光. 2023(07): 204-214 . 百度学术8. 周朴，马鹏飞，任帅，陈益沙，刘伟，姚天甫，潘志勇，陈金宝. 高功率窄线宽光纤激光的研究进展与发展趋势. 信息对抗技术. 2023(Z1): 16-36 . 百度学术9. 常洪祥，靳凯凯，张雨秋，张嘉怡，金坤，李灿，粟荣涛，冷进勇，周朴. 基于光谱滤波的宽谱激光相干合成光程与相位同步控制研究. 光学学报. 2023(17): 189-197 . 百度学术10. 周朴，粟荣涛，马阎星，吴坚，马鹏飞，李灿，王小林，冷进勇，张雨秋，任帅，常洪祥，龙金虎，王涛，蒋敏，李俊. 主动相位控制光纤激光相干合成技术研究. 光学学报. 2023(17): 13-40 . 百度学术11. 杨保来，王鹏，奚小明，马鹏飞，王小林，王泽锋. LD泵浦高平均功率、高光束质量掺镱光纤激光振荡器与放大器研究进展. 光学学报. 2023(17): 150-170 . 百度学术12. 邱樟鹏，王楠，陈子昊，李小婷，李泽标，刘建强，罗又辉，吕启涛，闫培光. 高功率连续绿光激光器的研究进展. 科学通报. 2023(34): 4618-4629 . 百度学术13. 史伟，付士杰，盛泉，史朝督，张钧翔，张露，姚建铨. 高性能单频光纤激光器研究进展：2017-2021(特邀). 红外与激光工程. 2022(01): 65-78 . 百度学术14. 龙润泽，张昆，张利明. 反向光纤耦合器反向隔离特性研究. 激光杂志. 2022(01): 70-73 . 百度学术15. 韩志刚，郑云瀚，王昊业，李方欣，陈佳乐，朱日宏. 6.7 kW全国产化窄线宽三包层光纤激光器. 红外与激光工程. 2022(02): 85-93 . 百度学术16. 杨保来 ，张汉伟 ，王鹏 ，奚小明 ，王小林 ，许晓军 ，陈金宝 . 单端泵浦光纤放大器获得4 kW单模窄谱激光输出. 强激光与粒子束. 2022(04): 8-9 . 本站查看17. 程鑫，姜华卫，冯衍. 高功率单频掺铒光纤激光技术研究进展(特邀). 红外与激光工程. 2022(06): 99-110 . 百度学术18. 阳求柏，沈辉，张磊，李秋瑞，于春雷，漆云凤，胡丽丽. 面向高功率窄线宽激光应用的掺镱石英玻璃光纤研究进展. 激光与光电子学进展. 2022(15): 90-102 . 百度学术19. 袁纬仪，付敏，李智贤，王泽锋，陈子伦. 一体化光纤滤除器和端帽实现20 kW激光输出. 强激光与粒子束. 2022(11): 5-6 . 本站查看20. 张建心，杜飞，孙海竹，刘佳玉，李森森，樊心民. 波导激光器的研究进展与展望. 光电技术应用. 2022(06): 28-32 . 百度学术21. 周朴，粟荣涛，马阎星，马鹏飞，吴坚，李灿，姜曼. 激光相干合成的研究进展:2011—2020. 中国激光. 2021(04): 31-58 . 百度学术22. 安毅，潘志勇，杨欢，黄良金，马鹏飞，闫志平，姜宗福，周朴. 国产长锥形光纤实现400W单频单模激光输出. 物理学报. 2021(20): 86-92 . 百度学术23. 盛泉，王盟，史朝督，田浩，张钧翔，刘俊杰，史伟，姚建铨. 基于锯齿波脉冲抑制自相位调制的高功率窄线宽单频脉冲光纤激光放大器. 物理学报. 2021(21): 124-130 . 百度学术24. 周朴，冷进勇，肖虎，马鹏飞，许将明，刘伟，姚天甫，张汉伟，黄良金，潘志勇. 高平均功率光纤激光的研究进展与发展趋势. 中国激光. 2021(20): 7-32 . 百度学术其他类型引用(10)
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