闪光照相X射线源能谱测量王王 毅毅中国工程物理研究院中国工程物理研究院 流体物理研究所流体物理研究所20242024年年7 7月月2424日日主要内容主要内容研究背景研究背景 基于衰减透射原理的基于衰减透射原理的X射线能谱测量射线能谱测量基于康普顿散射的基于康普顿散射的X射线能谱测量射线能谱测量 研究背景研究背景闪光照相是武器物理研究中对内爆压缩状态进行诊断的一种极为重要和有效的手段利用高能X射线对武器模型进行辐射照相透射形成的投影图像定量推断武器模型的流体动力学状态（密度分布和几何结构），为武器物理建模和程序验证提供实验数据支撑在武器设计与认证等研究中发挥着极其重要的作用限制闪光照相密度反演精度提高的主要因素光子散射对接收图像信号的影响光源的实际能谱分布图像接收系统的响应曲线（即光学图像密度和照射量的转换曲线） 研究背景研究背景降散射网栅相机组成：网栅阵列转换屏组件和可见光记录组件关键组件：网栅和阵列转换屏网栅通孔中心轴对准光源，屏蔽散射光子，提高图像对比度闪光照相中的光子散射影响光子与各照相器件（准直器、前后锥和照相客体等）相互作用会发生散射同时产生大量次级光子、电子，使图像清晰度降低，限制界面和密度的分辨精度降低散射的器件和方法有台阶准直器、倒锥准直器、客体匹配准直器、屏蔽准直器以及增大后锥与成像平面之间的距离等网栅相机（LANL）网栅采用W膜片浇铸加工工艺网栅重近1t，直径450mm，栅孔直径0.9mm,相邻孔距1.1mmLSO阵列，直径450mm，阵列元间距1.1mm实验图像2009年，DARHT-I FTO客体BIE反演密度测量精度rms：1%BIE模型在高能闪光照相中，X射线源由加速器所产生的强流脉冲电子束轰击高原子序数靶的轫致辐射提供 研究背景研究背景神龙二号加速器神龙二号加速器三脉冲三脉冲18 20 MeV 2 kA神龙一号加速器神龙一号加速器单脉冲单脉冲18 20 MeV 2.5 kA 研究背景研究背景 闪光照相X射线源特点宽谱连续分布（0.1 20 MeV）光子能量分布差异大短脉冲 100 keV时，一般材料对 X 射线的质量衰减系数随能量变化相当缓慢，系数矩阵为病态矩阵具有准奇异性，其行列式接近于零能谱重建计算问题能谱重建计算问题对能谱重建计算的影响参量数值的微小扰动会引起能谱重建计算值的较大偏差透射率曲线测量的精度要求和测量条件比较苛刻能谱重建的稳定性和收敛性较差FeFe、W W质量衰减系数在能谱测量范围内非单调变化，系数矩阵为奇异性，理论上存质量衰减系数在能谱测量范围内非单调变化，系数矩阵为奇异性，理论上存在无穷多解，计算难以收敛和稳定。在无穷多解，计算难以收敛和稳定。C, Al C, Al 质量衰减系数在测量能谱范围内保持单调递减，系数矩阵为非奇异矩阵，理质量衰减系数在测量能谱范围内保持单调递减，系数矩阵为非奇异矩阵，理论上存在唯一确定解，能谱重建值的稳定性和准确性相对较好论上存在唯一确定解，能谱重建值的稳定性和准确性相对较好能谱重建值的准确性严重依赖于初始能谱估计的准确程度能谱重建值的准确性严重依赖于初始能谱估计的准确程度 C Al Fe W衰减材料特性影响衰减材料特性影响 铝铝 1cm散射光子对能谱重建影响散射光子对能谱重建影响包含散射的质量衰减系数散射光子会造成实际质量衰减系数与散射光子会造成实际质量衰减系数与直穿质量衰减系数产生偏差，影响能直穿质量衰减系数产生偏差，影响能谱的重建计算谱的重建计算 透射率曲线（铝）包含不同范围散射光子对能谱重建影响透射率曲线（铝）包含不同范围散射光子对能谱重建影响散射光子的影响：重建能谱分布将由低能区域向高能区域畸变偏移无散射无散射包含包含01度散射度散射包含包含05度散射度散射包含包含090度散射度散射衰减透射法小结衰减透射法小结原理X射线的透射率通过材料衰减特性与能谱分布关联测量透射率曲线，结合系数矩阵计算能谱优点物理过程简单（光子透射）测量接收信号强缺点能谱计算对参数值扰动敏感，计算稳定性和收敛性较差直穿透射率准确测量困难，实验条件苛刻：散射屏蔽，光源稳定，光场均匀主要内容主要内容研究背景研究背景 基于衰减透射原理的基于衰减透射原理的X射线能谱测量射线能谱测量基于康普顿散射的基于康普顿散射的X射线能谱测量射线能谱测量基于康普顿散射的基于康普顿散射的X射线能谱测量射线能谱测量光子与轻质材料碰撞发生康普顿散射，通过测量反冲电子能谱获得光子能谱光子与电子的能量对应（康普顿散射关系）；光子与电子转换效率（散射截面）；宽谱电子能量分析（电子在磁场中的空间色散）。康普顿散射原理康普顿散射原理康普顿电子动能：康普顿电子最大动能： 光子与处于静止状态的一个自由电子碰撞发生散射，将部分能量传递给电子，散射过程满足动量守恒和能量守恒定律散射光子能量： ，其中散射光子与电子角度关系：选择确定的角度(如0度)，反冲电子能量与入射光子能量有确定的对应关系散射光子空间分布散射光子空间分布康普顿散射的微分截面（Klein-Nishina公式）其中 为经典电子半径 描述一个光子与一个自由电子相互作用后在不同方向单位立体角内的分布几率能量越高，散射光子空间分布的前向性越明显康普顿电子空间分布康普顿电子空间分布康普顿电子角度分布入射光子能量越大，反冲电子运动方向越集中于 0 度角附近，选择0度附近的出射电子，有利于增加接收到的电子数康普顿电子微分截面康普顿电子微分截面不同接收角宽度的截面曲线不同接收角宽度的截面曲线电子角度宽度与光子能量分辨电子角度宽度与光子能量分辨康普顿电子动能与入射康普顿电子动能与入射光子能量关系光子能量关系电子接收角度宽度与光电子接收角度宽度与光子能量分辨关系子能量分辨关系接收角度范围增大，电子数增多，但会导致对光子能量分辨降低；电子01 度接收范围内，由电子光子能量对应关系分析可知，对光子能量的相对分辨率小于 1%.康普顿散射靶康普顿散射靶Be 0.1mmFe 0.1mm康普顿散射截面(_c)与电子对生成效应截面(_pp)E_p/ /MeVBeFe_c/barn_pp/barn_c/barn_pp/barn10.845- -5.52- -50.3310.0192.150.76100.2040.0391.331.41150.1510.0510.9811.86200.1210.0610.7862.17电子对效应影响接收电子与入射光子的明确能量对应关系靶材料：选择轻质材料（Be），电子对生成效应截面相对较小单能光子入射产生电子(01 度角范围)的能谱分布宽谱电子能量分析磁铁宽谱电子能量分析磁铁宽谱分析磁铁由永磁体和磁极片构成，结构类似四极磁铁的一半，由一块铁磁材料代替四极磁铁的另一半 ，作用相当于“磁镜面”(magnetic mirror)；磁场梯度 632 Gs/cm，平均磁场强度 6 kGs，最大磁场强度 12 kGs.电子在磁场中的偏转聚焦电子在磁场中的偏转聚焦电子动量 p (MeV/c) 与焦平面上位置 x (cm) 关系 G 为磁场梯度，kGs/cm; 系数 3.3356 表示磁刚度，kGs*cm； A 为相对于焦平面的入射角。线性梯度磁场，电子动量正比于偏转至焦平面上位置的平方磁铁结构设计紧凑，同时有利于提高对能量相对较低部分的分辨能力 不同能量电子的偏转轨迹 电子束在磁场中的聚焦电子动量分辨率入口空间位置范围入口空间角度范围电子在磁场中的偏转聚焦电子在磁场中的偏转聚焦 电子回旋加速器实验测量轫致辐射光源由电子束打靶产生，电子束能量分别为 6, 10, 15 和 20 MeV； 上图中虚线为理论值，实线为测量值，两者符合度较好Photon Energy / MeV国际类似装置测量结果国际类似装置测量结果background4 shot signal1 shot signal DARHT 实验测量结果国际类似装置测量结果国际类似装置测量结果1E-41E-61E-2测量系统标定测量系统标定 磁铁的空间磁场分布测量 系统整体标定单能光源（能量0.5 20 MeV） 激光康普顿光源E(electron)/ GeVE(), max / MeVLaser 527nm (2.36eV)Laser1064nm (1.17eV)1.14221.52.5225111可调单色性方向性好，发散角小束斑小、通量高康普顿散射法小结康普顿散射法小结原理利用康普顿散射将光子转换为电子利用宽谱磁分析器测量电子能谱从而获得光子能谱优点物理过程清晰，光子与电子的能量关系、转换效率明确电子能谱测量技术成熟可靠缺点物理过程和转换环节相对较多康普顿散射光子电子转换效率较低，信号较弱闪光照相对单能光源的需求闪光照相对单能光源的需求 图像接收系统的信号响应特征曲线（H&D曲线）光学接收系统对单能光子的余辉响应接收模糊，单能光子点扩展函数接收系统信号转换的量子效率 X射线能谱测量系统标定0.5 20 MeV单能光源谢 谢 !