一種聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像方法及標(biāo)定裝置和實驗裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于核能科學(xué)與技術(shù)中聚變粒子診斷和束流光學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像方法及標(biāo)定裝置和實驗裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在聚變反應(yīng)中，內(nèi)爆壓縮的對稱性是點火成功的關(guān)鍵因素。針對內(nèi)爆區(qū)域、尤其是熱斑區(qū)域?qū)ΨQ性的診斷發(fā)展了許多方法，包括直接診斷方法和間接診斷方法兩類。其中，直接診斷方法是通過X射線成像、中子半影成像和質(zhì)子編碼成像等直接診斷內(nèi)爆區(qū)域產(chǎn)物來獲得內(nèi)爆區(qū)域信息的方法；間接診斷方法是利用外部產(chǎn)生的束流，如X射線、激光加速質(zhì)子束、內(nèi)爆反應(yīng)質(zhì)子束，對內(nèi)爆區(qū)域照相的方法和通過診斷內(nèi)爆區(qū)域質(zhì)子下散射能譜來獲取內(nèi)爆的面密度。
[0003]內(nèi)爆過程會產(chǎn)生準(zhǔn)單能質(zhì)子束，通過質(zhì)子編碼成像技術(shù)可以獲得內(nèi)爆區(qū)域的尺寸信息。質(zhì)子編碼成像方法步驟為:內(nèi)爆產(chǎn)生的質(zhì)子通過編碼元件后在探測器上成半影像；利用空間濾波的方法，實現(xiàn)對半影像的重建，獲得解碼后的圖像，即內(nèi)爆區(qū)域的像。目前在109質(zhì)子產(chǎn)額下，質(zhì)子編碼成像可以獲得16微米的空間分辨。而且由于需要編碼和解碼，因此具有一定程度的數(shù)字噪聲。由于熱斑區(qū)域通常只有幾十微米的空間尺度，需要進(jìn)一步提高質(zhì)子編碼成像的空間分辨本領(lǐng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的一個技術(shù)問題是提供一種聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像方法，本發(fā)明要解決的另一個技術(shù)問題是提供一種聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像標(biāo)定裝置，本發(fā)明要解決的再一個技術(shù)問題是提供一種聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像實驗裝置。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
本發(fā)明的聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像方法包括如下步驟:
a.在標(biāo)定裝置中進(jìn)行質(zhì)子成像微型磁四極透鏡的標(biāo)定；
b.在實驗裝置中進(jìn)行微型磁四極透鏡的物距和像距設(shè)定；
c.在實驗裝置中進(jìn)行等效光學(xué)透鏡瞄準(zhǔn)；
d.在實驗裝置中進(jìn)行實驗診斷。
[0006]本發(fā)明的聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像方法中的標(biāo)定裝置，包括串列靜電加速器、質(zhì)子輸運系統(tǒng)、真空靶室以及位于真空靶室內(nèi)的準(zhǔn)直孔、微型磁四極透鏡、標(biāo)定網(wǎng)格和質(zhì)子探測器；所述的串列靜電加速器產(chǎn)生的質(zhì)子束通過質(zhì)子輸運系統(tǒng)注入到真空靶室內(nèi)，進(jìn)入真空靶室內(nèi)的質(zhì)子束依次通過準(zhǔn)直孔、微型磁四極透鏡以及緊貼微型磁四極透鏡后表面的標(biāo)定網(wǎng)格，成像到與標(biāo)定網(wǎng)格距離L的質(zhì)子探測器上。
[0007]本發(fā)明的聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像方法中的實驗裝置，包括納秒激光、聚變真空靶室以及位于聚變真空靶室內(nèi)的聚變靶球、微型磁四極透鏡、等效光學(xué)透鏡、質(zhì)子探測器和萬向調(diào)節(jié)裝置；注入到聚變真空靶室的納秒激光壓縮聚變靶球產(chǎn)生的質(zhì)子束經(jīng)過位于萬向調(diào)節(jié)裝置上的微型磁四極透鏡后成像到質(zhì)子探測器上；等效光學(xué)透鏡位于微型磁四極透鏡中心位置，并與微型磁四極透鏡同軸，用于在線實驗診斷前靶的瞄準(zhǔn)；萬向調(diào)節(jié)裝置用于成像系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)。
[0008]本發(fā)明的聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像方法中使用的微型磁四極透鏡為永磁鐵材料，由四塊四極磁鐵組成，依次編號為四極磁鐵1、四極磁鐵I1、四極磁鐵III和四極磁鐵IV ;四塊四極磁鐵同軸排列，橫向磁場方向交錯排布；四極磁鐵I和四極磁鐵IV磁場軸向積分強(qiáng)度一樣，四極磁鐵II和四極磁鐵III磁場軸向積分強(qiáng)度一樣，且為四極磁鐵I的兩倍；四極磁鐵I和四極磁鐵II之間的距離與四極磁鐵III和四極磁鐵IV之間的距離相等，且都固定不動；四極磁鐵II和四極磁鐵III之間距離可調(diào)。
[0009]本發(fā)明的聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像方法中的步驟a包括以下步驟:
al.調(diào)節(jié)微型磁四極透鏡中四極磁鐵II和四極磁鐵III之間的距離，使得質(zhì)子探測器記錄到的標(biāo)定網(wǎng)格的像無畸變；
a2.根據(jù)準(zhǔn)直孔直徑Dz、標(biāo)定網(wǎng)格尺寸Dbl、網(wǎng)格像尺寸Db2以及質(zhì)子探測器到標(biāo)定網(wǎng)格的距離L，計算得到微型磁四極透鏡的焦距f=LDz/ (Dbl-Db2)以及主平面到磁鐵表面的距離x=L (Dz-Dbl) / (Dbl-Db2)；
a3.固定微型磁四極透鏡中四極磁鐵II和四極磁鐵III之間的距離，確定微型磁四極透鏡長度為d。
[0010]本發(fā)明的聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像方法中的步驟b包括以下步驟:
bl.給定成像的放大倍數(shù)M，根據(jù)步驟a標(biāo)定得到的焦距f以及主平面到磁鐵表面的距離X，計算得到微型磁四極透鏡前表面到聚變靶球的距離為Lef (M+D/M-x，微型磁四極透鏡后表面到質(zhì)子探測器的距離為L4=f(M+l)_x ;
b2.把步驟a標(biāo)定好的微型磁四極透鏡放置在所述的萬向調(diào)節(jié)裝置中，使得微型磁四極透鏡到聚變靶球距離為Q，并在萬向調(diào)節(jié)裝置末端放置質(zhì)子探測器，使得微型磁四極透鏡后表面到質(zhì)子探測器的距離為L4;
b3.固定微型磁四極透鏡在萬向調(diào)節(jié)裝置上的位置。
[0011]本發(fā)明的聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像方法中的步驟c包括以下步驟:
C1.放置一個等效光學(xué)透鏡在微型磁四極透鏡的四極磁鐵II和四極磁鐵III之間的中心位置，等效光學(xué)透鏡與微型磁四極透鏡同軸，等效光學(xué)透鏡焦距feff滿足1/f #=1/(1^+(1/2)+1/ (L4+d/2)；
c2.固定等效光學(xué)透鏡；
c3.調(diào)節(jié)萬向調(diào)節(jié)裝置的指向，進(jìn)行系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)，瞄準(zhǔn)方法為:在聚變真空靶室中心位置處放置一個模擬小球；使用可見光照射模擬小球，然后通過等效光學(xué)透鏡進(jìn)行成像，使得模擬小球像成像到質(zhì)子探測器的中心位置。
[0012]本發(fā)明的聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像方法中的步驟d包括以下步驟: dl.取開等效光學(xué)透鏡，把模擬小球替換成聚變靶球；
d2.把納秒激光注入到聚變真空靶室壓縮聚變靶球，通過聚變反應(yīng)產(chǎn)生質(zhì)子； d3.質(zhì)子通過微型四極透鏡后，成像于質(zhì)子探測器上，獲得聚變反應(yīng)熱斑區(qū)圖像。
[0013]微型磁四極透鏡成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)范圍為8~12。
[0014]本發(fā)明的聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像方法及標(biāo)定裝置和實驗裝置是基于以下的研究基礎(chǔ)提出來的:在基于傳統(tǒng)加速器束流的高能質(zhì)子照相裝置中，為了消除多次小角度散射造成的圖像模糊，人們引入了磁透鏡成像系統(tǒng)，把磁透鏡放置在照相客體與探測器之間，對透射出照相客體的質(zhì)子成像。磁透鏡的引入大大提高了成像的空間分辨本領(lǐng)。近些年來，微型四極磁鐵被引入到激光等離子體物理領(lǐng)域，可以實現(xiàn)對激光加速產(chǎn)生的電子束和質(zhì)子束的聚焦。這種微型四極磁鐵由于聚焦強(qiáng)度強(qiáng)，尺寸小，適合于臺面型加速器束線。本發(fā)明的聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像方法及標(biāo)定裝置和實驗裝置借鑒了傳統(tǒng)加速器中高能質(zhì)子照相裝置中的磁透鏡磁鐵設(shè)計方法，并創(chuàng)新性的采用了微型四極磁透鏡系統(tǒng)的設(shè)計和光學(xué)輔助瞄準(zhǔn)方法，以此實現(xiàn)聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像的診斷。
[0015]本發(fā)明的聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像方法及標(biāo)定裝置和實驗裝置用于對聚變反應(yīng)熱斑區(qū)形狀進(jìn)行診斷，相對于質(zhì)子編碼成像，具有更大的接收立體角；在相同的空間分辨情況下，對質(zhì)子產(chǎn)額的要求更低。采用等效光學(xué)透鏡進(jìn)行瞄準(zhǔn)、對焦，解決了微型磁透四極透鏡進(jìn)行質(zhì)子成像的瞄準(zhǔn)困難；同時聚變反應(yīng)熱斑區(qū)產(chǎn)生的質(zhì)子通過微型磁四極透鏡進(jìn)行成像所成的質(zhì)子像即聚變反應(yīng)熱斑區(qū)域形狀，不需要進(jìn)行編碼和解碼，因此不會引入數(shù)字噪聲。在109質(zhì)子產(chǎn)額條件下，微型磁四極透鏡成像系統(tǒng)的空間分辨小于10微米。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像方法的標(biāo)定裝置原理圖；
圖2是本發(fā)明的聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像方法的實驗裝置原理圖；
圖中:1.微型磁四極透鏡2.標(biāo)定網(wǎng)格3.質(zhì)子探測器4.聚變靶球5.等效光學(xué)透鏡6.萬向調(diào)節(jié)裝置7.聚變真空靶室8.納秒激光9.串列靜電加速器10.質(zhì)子輸運系統(tǒng)11.真空靶室12.準(zhǔn)直孔101.四極磁鐵I 102.四極磁鐵II 103.四極磁鐵III 104.四極磁鐵IV。
【具體實施方式】
[0017]以下實施例僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制。有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化、替換和變型，因此同等的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇。
[0018]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述:
實施例1
圖1是本發(fā)明中的聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像方法的標(biāo)定裝置原理圖；圖2是本發(fā)明中的聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像方法的實驗裝置原理圖。
[0019]本發(fā)明的聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像方法，包括以下步驟:
a.在標(biāo)定裝置中進(jìn)行質(zhì)子成像微型磁四極透鏡的標(biāo)定；
b.在實驗裝置中進(jìn)行微型磁四極透鏡的物距和像距設(shè)定；
c.在實驗裝置中進(jìn)行等效光學(xué)透鏡瞄準(zhǔn)；
d.在實驗裝置中進(jìn)行實驗診斷。
[0020]圖1的聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像方法中的標(biāo)定裝置，包括串列靜電加速器9、質(zhì)子輸運系統(tǒng)10、真空靶室11以及位于真空靶室內(nèi)的準(zhǔn)直孔12、微型磁四極透鏡1、標(biāo)定網(wǎng)格2和質(zhì)子探測器3 ;所述的串列靜電加速器9產(chǎn)生能量為2.7MeV的質(zhì)子束通過質(zhì)子輸運系統(tǒng)10注入到真空靶室11內(nèi)，進(jìn)入真空靶室11內(nèi)的質(zhì)子束依次通過孔徑為3.0_的準(zhǔn)直孔12、微型磁四極透鏡1以及緊貼微型磁四極透鏡1后表面的標(biāo)定網(wǎng)格2，成像到與標(biāo)定網(wǎng)格2距離23.9mm的質(zhì)子探測器3上。標(biāo)定網(wǎng)格2為周期300 μm，直徑200 μm的孔陣。
[0021]圖2的聚變反應(yīng)熱斑區(qū)質(zhì)子成像方法中的實驗裝置，包括納秒激光8、聚變真空靶室7以及位于聚變真空靶室7內(nèi)的聚變靶球4、微型磁四極透鏡1、等效光學(xué)透鏡5、質(zhì)子探測器3和萬向調(diào)節(jié)裝置6 ;注入到聚變真空靶室7的納秒激光8壓縮聚變靶球4產(chǎn)生的質(zhì)子束經(jīng)過位于萬向調(diào)節(jié)裝置6上的微型磁四極透鏡1后成像到質(zhì)子探測器3上；等效光學(xué)透鏡5位于微型磁四極透鏡1中心位置，并與微型磁四極透鏡1同軸，用于實驗診斷前靶的瞄準(zhǔn)；萬向調(diào)節(jié)裝置6用于成像系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)。
[0022]微型磁四極透鏡