《高能質子照相的數值模擬研究》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由許海波擔任項目負責人的聯合基金項目。
基本介紹
- 中文名：高能質子照相的數值模擬研究
- 項目類別：聯合基金項目
- 項目負責人：許海波
- 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
高能粒子照相是診斷緻密物質內部幾何結構和物理特性的最有效技術。目前，國內外均使用高能X射線照相對武器流體動力學試驗進行診斷。但是，X射線照相由於受到電子束斑尺寸、穿透能力、能譜和散射的影響，制約了從X射線照相實驗中獲得足夠的量化信息。近十多年來，美國在高能質子照相上投入了大量的人力和物力，開展了理論和實驗研究，並獲得了突破性進展。目前，國內還沒有用於高能質子照相的實驗裝置，也沒有一個完整的程式系統可以完成質子照相所需要的數值模擬能力。本項目通過健全描述中高能（500MeV～50GeV）質子核反應的理論模型、加工完善現有的參數庫、以及編制質子在磁場中輸運程式模組，建立一個自主研發的質子照相全過程數值模擬程式。並通過實驗裝置和布局的最佳化設計以及小型客體的原理性實驗驗證，定量給出質子照相的空間解析度和密度重建的精度，評估質子照相分辨物質混合的能力，為在我國實現質子照相提供可靠、定量的參考依據。
結題摘要
高能質子照相為武器初級流體動力學試驗提供了一種優於X光照相技術的先進診斷方法。鑒於目前國內還沒有用於高能質子照相的實驗裝置，也沒有一個完整的程式系統可以完成質子照相所需要的數值模擬能力。本項目通過開發質子照相全過程數值模擬程式、最佳化設計實驗裝置和布局以及進行小型客體的原理性實驗驗證，定量給出質子照相的空間解析度和密度重建的精度，實現了與現階段高能X射線照相的定量比較。這些結果為在我國實現質子照相提供了可靠、定量的參考依據。 項目的研究工作按計畫進行並已完成預定的研究內容，實現了預期目標，取得了以下五個方面的成果：（1）完成了基於Geant4程式的高能質子照相蒙特卡羅模擬程式—G4PRAD的開發，程式具有面向對象的輸入/輸出面板，可實現質子照相全過程的模擬，並進行可視化展示。開發的高能質子照相蒙特卡羅模擬程式套用於質子照相中，為質子照相裝置建立的可行性提供技術支撐，推動了質子照相技術的發展。（2）掌握了質子照相成像光路上主要元件的最佳化設計技術，能夠精確模擬質子束經擴束器、匹配透鏡、照相客體、成像透鏡、角度準直器以及探測器等一系列元件的傳輸過程，得到不同照相系統的空間解析度。解決了對高能質子照相全過程開展模擬的需求。（3）考慮核彈性散射過程對圖像的影響，對質子照相基本方程進行了修正，並引入了有效平均自由程（與準直角有關）和有效輻射長度表達式，確定了利用核反應衰減程度和輻射衰減長度雙重信息開展密度重建的技術路線，完成了基於全變分和代數重建技術的三維密度重建程式。（4）編制了基於Lie代數的質子照相磁透鏡最佳化設計軟體MyBOC，該軟體可以快速最佳化設計質子照相的等大型以及放大型磁透鏡，並計算磁透鏡的1到3階色差和像差係數。利用My-BOC程式完成了不同質子能量和照相裝置的光學設計。（5）依託中國科學院近代物理研究所的重離子加速器-冷卻儲存環（HIRFL-CSR）裝置，將現有的實驗終端改造成重離子/質子照相裝置，開展高能重離子/質子輻照條紋狀樣品及台階狀樣品的實驗研究，實驗獲得的最佳空間解析度達90微米。並設計了2.6GeV質子專用照相終端，開展了相應的模擬工作。
