CN105280246A - 一种聚变反应热斑区质子成像方法及标定装置和实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种聚变反应热斑区质子成像方法及标定装置和实验装置,使用由永磁铁制造的微型磁四极透镜对聚变反应热斑区产生的质子进行成像，以获得热斑压缩状态信息。该方法包括四个步骤：在标定装置中进行的质子成像微型磁四极透镜的标定、在实验装置中进行的微型磁四极透镜物距和像距的调节、等效光学透镜瞄准以及在线实验诊断。本发明适用于激光驱动惯性约束聚变、等离子体放电中子源、Z箍缩等装置中聚变反应热斑区域形状的诊断。本发明对质子源进行直接成像，无需编码和解码过程，不引入数字噪声，相对于编码成像方法，具有更大的接收立体角，可以在低1~2个数量级的质子产额条件下，实现相同的空间分辨率。
Description
技术领域
本发明属于核能科学与技术中聚变粒子诊断和束流光学领域，具体涉及一种聚变反应热斑区质子成像方法及标定装置和实验装置。
背景技术
在聚变反应中,内爆压缩的对称性是点火成功的关键因素。针对内爆区域、尤其是热斑区域对称性的诊断发展了许多方法,包括直接诊断方法和间接诊断方法两类。其中，直接诊断方法是通过X射线成像、中子半影成像和质子编码成像等直接诊断内爆区域产物来获得内爆区域信息的方法；间接诊断方法是利用外部产生的束流，如X射线、激光加速质子束、内爆反应质子束，对内爆区域照相的方法和通过诊断内爆区域质子下散射能谱来获取内爆的面密度。
内爆过程会产生准单能质子束，通过质子编码成像技术可以获得内爆区域的尺寸信息。质子编码成像方法步骤为：内爆产生的质子通过编码元件后在探测器上成半影像；利用空间滤波的方法，实现对半影像的重建，获得解码后的图像，即内爆区域的像。目前在109质子产额下，质子编码成像可以获得16微米的空间分辨。而且由于需要编码和解码，因此具有一定程度的数字噪声。由于热斑区域通常只有几十微米的空间尺度，需要进一步提高质子编码成像的空间分辨本领。
发明内容
本发明要解决的一个技术问题是提供一种聚变反应热斑区质子成像方法，本发明要解决的另一个技术问题是提供一种聚变反应热斑区质子成像标定装置，本发明要解决的再一个技术问题是提供一种聚变反应热斑区质子成像实验装置。
本发明采用的技术方案如下：
本发明的聚变反应热斑区质子成像方法包括如下步骤：
a.在标定装置中进行质子成像微型磁四极透镜的标定；
b.在实验装置中进行微型磁四极透镜的物距和像距设定；
c.在实验装置中进行等效光学透镜瞄准；
d.在实验装置中进行实验诊断。
本发明的聚变反应热斑区质子成像方法中的标定装置，包括串列静电加速器、质子输运系统、真空靶室以及位于真空靶室内的准直孔、微型磁四极透镜、标定网格和质子探测器；所述的串列静电加速器产生的质子束通过质子输运系统注入到真空靶室内，进入真空靶室内的质子束依次通过准直孔、微型磁四极透镜以及紧贴微型磁四极透镜后表面的标定网格，成像到与标定网格距离L的质子探测器上。
本发明的聚变反应热斑区质子成像方法中的实验装置，包括纳秒激光、聚变真空靶室以及位于聚变真空靶室内的聚变靶球、微型磁四极透镜、等效光学透镜、质子探测器和万向调节装置；注入到聚变真空靶室的纳秒激光压缩聚变靶球产生的质子束经过位于万向调节装置上的微型磁四极透镜后成像到质子探测器上；等效光学透镜位于微型磁四极透镜中心位置，并与微型磁四极透镜同轴，用于在线实验诊断前靶的瞄准；万向调节装置用于成像系统的瞄准。
本发明的聚变反应热斑区质子成像方法中使用的微型磁四极透镜为永磁铁材料，由四块四极磁铁组成，依次编号为四极磁铁Ⅰ、四极磁铁Ⅱ、四极磁铁Ⅲ和四极磁铁Ⅳ；四块四极磁铁同轴排列，横向磁场方向交错排布；四极磁铁Ⅰ和四极磁铁Ⅳ磁场轴向积分强度一样，四极磁铁Ⅱ和四极磁铁Ⅲ磁场轴向积分强度一样，且为四极磁铁Ⅰ的两倍；四极磁铁Ⅰ和四极磁铁Ⅱ之间的距离与四极磁铁Ⅲ和四极磁铁Ⅳ之间的距离相等，且都固定不动；四极磁铁Ⅱ和四极磁铁Ⅲ之间距离可调。
本发明的聚变反应热斑区质子成像方法中的步骤a包括以下步骤：
a1.调节微型磁四极透镜中四极磁铁Ⅱ和四极磁铁Ⅲ之间的距离，使得质子探测器记录到的标定网格的像无畸变；
a2.根据准直孔直径Dz、标定网格尺寸Db1、网格像尺寸Db2以及质子探测器到标定网格的距离L，计算得到微型磁四极透镜的焦距f=LDz/（Db1-Db2）以及主平面到磁铁表面的距离x=L（Dz-Db1）/（Db1-Db2）；
a3.固定微型磁四极透镜中四极磁铁Ⅱ和四极磁铁Ⅲ之间的距离，确定微型磁四极透镜长度为d。
本发明的聚变反应热斑区质子成像方法中的步骤b包括以下步骤：
b1.给定成像的放大倍数M，根据步骤a标定得到的焦距f以及主平面到磁铁表面的距离x，计算得到微型磁四极透镜前表面到聚变靶球的距离为L1=f(M+1)/M-x,微型磁四极透镜后表面到质子探测器的距离为L4=f(M+1)-x；
b2.把步骤a标定好的微型磁四极透镜放置在所述的万向调节装置中，使得微型磁四极透镜到聚变靶球距离为L1，并在万向调节装置末端放置质子探测器，使得微型磁四极透镜后表面到质子探测器的距离为L4；
b3.固定微型磁四极透镜在万向调节装置上的位置。
本发明的聚变反应热斑区质子成像方法中的步骤c包括以下步骤：
c1.放置一个等效光学透镜在微型磁四极透镜的四极磁铁Ⅱ和四极磁铁Ⅲ之间的中心位置，等效光学透镜与微型磁四极透镜同轴，等效光学透镜焦距feff满足1/feff=1/（L1+d/2）+1/（L4+d/2）；
c2.固定等效光学透镜；
c3.调节万向调节装置的指向，进行系统的瞄准，瞄准方法为：在聚变真空靶室中心位置处放置一个模拟小球；使用可见光照射模拟小球，然后通过等效光学透镜进行成像，使得模拟小球像成像到质子探测器的中心位置。
本发明的聚变反应热斑区质子成像方法中的步骤d包括以下步骤：
d1.取开等效光学透镜，把模拟小球替换成聚变靶球；
d2.把纳秒激光注入到聚变真空靶室压缩聚变靶球，通过聚变反应产生质子；
d3.质子通过微型四极透镜后，成像于质子探测器上，获得聚变反应热斑区图像。
微型磁四极透镜成像系统的放大倍数范围为8~12。
本发明的聚变反应热斑区质子成像方法及标定装置和实验装置是基于以下的研究基础提出来的：在基于传统加速器束流的高能质子照相装置中，为了消除多次小角度散射造成的图像模糊,人们引入了磁透镜成像系统，把磁透镜放置在照相客体与探测器之间，对透射出照相客体的质子成像。磁透镜的引入大大提高了成像的空间分辨本领。近些年来，微型四极磁铁被引入到激光等离子体物理领域，可以实现对激光加速产生的电子束和质子束的聚焦。这种微型四极磁铁由于聚焦强度强，尺寸小，适合于台面型加速器束线。本发明的聚变反应热斑区质子成像方法及标定装置和实验装置借鉴了传统加速器中高能质子照相装置中的磁透镜磁铁设计方法，并创新性的采用了微型四极磁透镜系统的设计和光学辅助瞄准方法，以此实现聚变反应热斑区质子成像的诊断。
本发明的聚变反应热斑区质子成像方法及标定装置和实验装置用于对聚变反应热斑区形状进行诊断，相对于质子编码成像，具有更大的接收立体角；在相同的空间分辨情况下，对质子产额的要求更低。采用等效光学透镜进行瞄准、对焦，解决了微型磁透四极透镜进行质子成像的瞄准困难；同时聚变反应热斑区产生的质子通过微型磁四极透镜进行成像所成的质子像即聚变反应热斑区域形状，不需要进行编码和解码，因此不会引入数字噪声。在109质子产额条件下，微型磁四极透镜成像系统的空间分辨小于10微米。
附图说明
图1是本发明的聚变反应热斑区质子成像方法的标定装置原理图；
图2是本发明的聚变反应热斑区质子成像方法的实验装置原理图；
图中：1.微型磁四极透镜2.标定网格3.质子探测器4.聚变靶球5.等效光学透镜6.万向调节装置7.聚变真空靶室8.纳秒激光9.串列静电加速器10.质子输运系统11.真空靶室12.准直孔101.四极磁铁Ⅰ102.四极磁铁Ⅱ103.四极磁铁Ⅲ104.四极磁铁Ⅳ。
具体实施方式
以下实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。有关技术领域的人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化、替换和变型，因此同等的技术方案也属于本发明的范畴。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例1
图1是本发明中的聚变反应热斑区质子成像方法的标定装置原理图；图2是本发明中的聚变反应热斑区质子成像方法的实验装置原理图。
本发明的聚变反应热斑区质子成像方法,包括以下步骤：
a.在标定装置中进行质子成像微型磁四极透镜的标定；
b.在实验装置中进行微型磁四极透镜的物距和像距设定；
c.在实验装置中进行等效光学透镜瞄准；
d.在实验装置中进行实验诊断。
图1的聚变反应热斑区质子成像方法中的标定装置，包括串列静电加速器9、质子输运系统10、真空靶室11以及位于真空靶室内的准直孔12、微型磁四极透镜1、标定网格2和质子探测器3；所述的串列静电加速器9产生能量为2.7MeV的质子束通过质子输运系统10注入到真空靶室11内，进入真空靶室11内的质子束依次通过孔径为3.0mm的准直孔12、微型磁四极透镜1以及紧贴微型磁四极透镜1后表面的标定网格2，成像到与标定网格2距离23.9mm的质子探测器3上。标定网格2为周期300μm，直径200μm的孔阵。
图2的聚变反应热斑区质子成像方法中的实验装置，包括纳秒激光8、聚变真空靶室7以及位于聚变真空靶室7内的聚变靶球4、微型磁四极透镜1、等效光学透镜5、质子探测器3和万向调节装置6；注入到聚变真空靶室7的纳秒激光8压缩聚变靶球4产生的质子束经过位于万向调节装置6上的微型磁四极透镜1后成像到质子探测器3上；等效光学透镜5位于微型磁四极透镜1中心位置，并与微型磁四极透镜1同轴，用于实验诊断前靶的瞄准；万向调节装置6用于成像系统的瞄准。
微型磁四极透镜1材料为NdFeB48。由四块四极磁铁组成，四极磁铁同轴排列，横向磁场方向交错排布；四极磁铁内径9mm，外径30mm，四极磁铁Ⅰ101和四极磁铁Ⅳ104厚度16mm，四极磁铁Ⅱ102和四极磁铁Ⅲ103厚度32mm；四极磁铁Ⅰ101和四极磁铁Ⅱ102之间的距离与四极磁铁Ⅲ103和四极磁铁Ⅳ104之间距离都为7.2mm，且都固定不动。四极磁铁Ⅱ102和四极磁铁Ⅲ103之间距离可调。
本发明的聚变反应热斑区质子成像方法的步骤a包括以下步骤：
a1.调节微型磁四极透镜中四极磁铁Ⅱ102和四极磁铁Ⅲ103之间的距离，当距离为17.2mm时，质子探测器3记录到的标定网格2的像无畸变；
a2.测量标定网格像的大小0.78mm以及像的周期宽度为177μm,计算得到实际被辐照到的标定网格的大小1.32mm,准直孔直径为3mm，以及质子探测器3到标定网格2的距离23.9mm，计算得到微型磁四极透镜1的焦距为58.5mm，主平面到磁铁表面距离74.3mm；
a3.固定微型磁四极透镜中四极磁铁Ⅱ102和四极磁铁Ⅲ103之间的距离，确定微型磁四极透镜长度为127.6mm。
本发明的聚变反应热斑区质子成像方法的步骤b包括以下步骤：
b1.给定微型磁四极透镜成像系统的放大倍数为10，根据步骤a标定得到的焦距58.5mm以及主平面到磁铁表面的距离74.3mm，计算得到微型磁四极透镜前表面到聚变靶球的距离为71.8mm,微型磁四极透镜后表面到质子探测器的距离为1386.9mm；
b2.把步骤a标定好的微型磁四极透镜放置在所述的万向调节装置中，使得微型磁四极透镜到聚变靶球距离为71.8mm，并在万向调节装置末端放置质子探测器，使得微型磁四极透镜后表面到质子探测器的距离为1386.9mm；
b3.固定微型磁四极透镜在万向调节装置上的位置。
本发明的聚变反应热斑区质子成像方法的步骤c包括以下步骤：
c1.放置一个等效光学透镜在微型磁四极透镜的四极磁铁Ⅱ102和四极磁铁Ⅲ103之间的中心位置，等效光学透镜与微型磁四极透镜同轴，等效光学透镜焦距feff为124.0mm；
c2.固定等效光学透镜；
c3.调节万向调节装置的指向，进行系统的瞄准，瞄准方法为：在聚变真空靶室中心位置处放置一个模拟小球；使用可见光照射模拟小球，然后通过等效光学透镜进行成像，使得模拟小球像成像到质子探测器的中心位置。
本发明的聚变反应热斑区质子成像方法的步骤d包括以下步骤：
d1.取开等效光学透镜，把模拟小球替换成聚变靶球；
d2.把纳秒激光注入到聚变真空靶室压缩聚变靶球，通过聚变反应产生质子；
d3.质子通过微型四极透镜后，成像于质子探测器上，获得聚变反应热斑区图像。
实施例1在109质子产额下具有小于10微米的空间分辨。
实施例2
实施例2是针对D3He反应的14.7MeV质子设计的。实施例2中磁铁强度与实施例1相同，其他所有几何尺寸都为实施例1的2.22倍，实验方法也与实施例相同。所述的微型磁四极透镜成像系统放大倍数为10，在109质子产额下具有小于10微米的空间分辨。
实施例3
实施例3是针对D3He反应的14.7MeV质子设计的。具体设备、标定过程、实验过程与实施例1相同，但采用的微型磁四极透镜成像系统放大倍数为8。
实施例4
实施例4是针对D3He反应的14.7MeV质子设计的。具体设备、标定过程、实验过程与实施例1相同，但采用的微型磁四极透镜成像系统放大倍数为12。
Claims (9)
1.一种聚变反应热斑区质子成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.在标定装置中进行质子成像微型磁四极透镜的标定；
b.在实验装置中进行微型磁四极透镜的物距和像距设定；
c.在实验装置中进行等效光学透镜瞄准；
d.在实验装置中进行实验诊断。
2.如权利要求1所述的聚变反应热斑区质子成像方法中使用的标定装置，其特征在于，包括串列静电加速器（9）、质子输运系统（10）、真空靶室（11）以及位于真空靶室（11）内的准直孔（12）、微型磁四极透镜（1）、标定网格（2）和质子探测器（3）；所述的串列静电加速器（9）产生的质子束通过质子输运系统（10）注入到真空靶室（11）内，进入真空靶室（11）内的质子束依次通过准直孔（12）、微型磁四极透镜（1）以及紧贴微型磁四极透镜（1）后表面的标定网格（2），成像到与标定网格（2）距离L的质子探测器（3）上。
3.如权利要求1所述的聚变反应热斑区质子成像方法中使用的实验装置，其特征在于，包括纳秒激光（8）、聚变真空靶室（7）以及位于聚变真空靶室（7）内的聚变靶球（4）、微型磁四极透镜（1）、等效光学透镜（5）、质子探测器（3）和万向调节装置（6）；注入到聚变真空靶室（7）的纳秒激光（8）压缩聚变靶球（4）产生的质子束经过位于万向调节装置（6）上的微型磁四极透镜（1）后成像到质子探测器（3）上；等效光学透镜（5）位于微型磁四极透镜（1）中心位置，并与微型磁四极透镜（1）同轴。
4.根据权利要求1所述的聚变反应热斑区质子成像方法，其特征在于，所述的微型磁四极透镜（1）为永磁铁材料，由四块四极磁铁组成，依次编号为四极磁铁Ⅰ（101）、四极磁铁Ⅱ（102）、四极磁铁Ⅲ（103）和四极磁铁Ⅳ（104）；四块四极磁铁同轴排列，横向磁场方向交错排布；四极磁铁Ⅰ（101）和四极磁铁Ⅳ（104）磁场轴向积分强度一样，四极磁铁Ⅱ（102）和四极磁铁Ⅲ（103）磁场轴向积分强度一样，且为四极磁铁Ⅰ（101）的两倍；四极磁铁Ⅰ（101）和四极磁铁Ⅱ（102）之间的距离与四极磁铁Ⅲ（103）和四极磁铁Ⅳ(104)之间的距离相等，且都固定不变；四极磁铁Ⅱ（102）和四极磁铁Ⅲ(103)之间距离可调。
5.根据权利要求1所述的聚变反应热斑区质子成像方法，其特征在于：所述步骤a包括以下步骤：
a1.调节微型磁四极透镜（1）中四极磁铁Ⅱ（102）和四极磁铁Ⅲ（103）之间的距离，使得质子探测器（3）记录到的标定网格（2）的像无畸变；
a2.根据准直孔(12)直径Dz、标定网格（2）尺寸Db1、网格像尺寸Db2以及质子探测器（3）到标定网格（2）的距离L，计算得到微型磁四极透镜（1）的焦距f=LDz/（Db1-Db2）以及主平面到磁铁表面的距离x=L（Dz-Db1）/（Db1-Db2）；
a3.固定微型磁四极透镜（1）中的四极磁铁Ⅱ（102）和四极磁铁Ⅲ(103)，确定微型磁四极透镜（1）长度为d。
6.根据权利要求1所述的聚变反应热斑区质子成像方法，其特征在于：所述步骤b包括以下步骤：
b1.给定成像的放大倍数M，根据步骤a标定得到的焦距f以及主平面到磁铁表面的距离x，计算得到微型磁四极透镜（1）前表面到聚变靶球（4）的距离为L1=f(M+1)/M-x,微型磁四极透镜（1）后表面到质子探测器（3）的距离为L4=f(M+1)-x；
b2.把步骤a标定好的微型磁四极透镜（1）放置在所述的万向调节装置（6）中，使得微型磁四极透镜（1）到聚变靶球（4）距离为L1，并在万向调节装置（6）末端放置质子探测器（3），使得微型磁四极透镜（1）后表面到质子探测器（3）的距离为L4；
b3.固定微型磁四极透镜（1）在万向调节装置（6）上的位置。
7.根据权利要求1所述的聚变反应热斑区质子成像方法，其特征在于：所述步骤c包括以下步骤：
c1.放置一个等效光学透镜（5）在微型磁四极透镜（1）的四极磁铁Ⅱ（102）和四极磁铁Ⅲ（103）之间的中心位置，等效光学透镜（5）与微型磁四极透镜（1）同轴，等效光学透镜（5）焦距feff满足1/feff=1/（L1+d/2）+1/（L4+d/2）；
c2.固定等效光学透镜（5）；
c3.调节万向调节装置（6）的指向，进行系统的瞄准，瞄准方法为：在聚变真空靶室（7）中心位置处放置一个模拟小球；使用可见光照射模拟小球，然后通过等效光学透镜（5）进行成像，使得模拟小球像成像到质子探测器（3）的中心位置。
8.根据权利要求1所述的聚变反应热斑区质子成像方法，其特征在于：所述步骤d包括以下步骤：
d1.取开等效光学透镜（5），把模拟小球替换成聚变靶球（4）；
d2.把纳秒激光（8）注入到聚变真空靶室（7）压缩聚变靶球（4），通过聚变反应产生质子；
d3.质子通过微型四极透镜（1）后，成像于质子探测器（3）上，获得聚变反应热斑区图像。
9.根据权利要求1所述的聚变反应热斑区质子成像方法，其特征在于：微型磁四极透镜（1）成像系统的放大倍数范围为8~12。
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| 腾建等: "用于ICF内爆诊断的质子成像磁透镜理论设计", 《强激光与粒子束》 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106706157A (zh) * | 2017-01-11 | 2017-05-24 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种基于准同视轴的icf热斑电子温度探测设备 |
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| ES2916023A1 (es) * | 2021-12-28 | 2022-06-27 | Univ Madrid Politecnica | Sistema y procedimiento de fusión por confinamiento iónico resonante |
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|---|---|
| CN105280246B (zh) | 2017-05-10 |
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