中子半影成像在ICF中的运用

中子半影成像在ICF中的运用1刘东剑1,2，唐昶环2，安竹1，段艳敏1，吴英11四川大学原子核科学与技术研究所，辐射物理及技术教育部重点实验室，成都 (610065) 2中国工程物理研究院激光聚变研究中心，绵阳 (621900)E-mail: anzhu@摘要：在惯性约束聚变中，聚变靶丸内爆情况的诊断，对优化靶丸设计、改进驱动手段有重要的意义。

目前，X射线、可见光诊断等手段都已经比较成熟了，而中子诊断技术发展相对较晚，但相对于X射线诊断等，它具有透明度更高，噪声小，更能反映内爆真实情况等特点。

本文将介绍中子诊断技术发展现状和我们今后的工作设想。

关键词：ICF，半影成像1. 引言随着各国对惯性约束核聚变（ICF）研究的深入，有很多问题摆在了我们面前。

激光约束核聚变中，激光驱动靶丸内爆时，靶丸压缩的对称性是一个内爆成功与否的关键性问题，可以利用靶丸在内爆过程中产生的穿透力很强的各种射线来对靶丸进行成像。

目前比较成熟的方法是利用X射线进行成像；然而，随着靶丸尺寸的增大，聚变材料的密度的增加，内爆形成的等离子体对X射线的吸收大大增强，造成了靶丸不透明度的增加，这使得用X射线成像技术来对靶丸内爆的对称性诊断变得困难起来。

考虑到中子穿透力更强，可以利用热核聚变中生成的快中子来对靶丸进行诊断。

2. 中子成像目前广泛采用的中子成像技术有：针孔成像、中子波带片成像和中子半影成像等几种方法，它们的基本原理都类似于光学中相应的成像方法。

由于中子的穿透力比较强，通常可以认为它在空气中是沿直线传播的，这样我们可以利用类似于光学针孔成像的方法，对热核中子进行针孔成像。

利用中子源发射的中子进行成像，它的优点是成像空间分辨率高，但对中子的收集率低，这要求很高的中子产额；另外，由于中子的穿透力很强，选择合适的针孔制作材料、合适的厚度来制备针孔比较困难。

中子波带片成像技术也是基于相应的光学波带片成像原理，这种成像技术的分辨率也比较好，但对探测器的要求较高，而且制备起来也很不方便。

中子半影成像技术很好的克服了上述两种成像技术的缺点。

半影成像是一种编码孔成像技术，是成像孔尺度大于源的尺寸的一种成像技术。

编码图像由均匀照亮的中心区域和部分照亮的半影区域组成，半影区则是源的空间信息与孔的透过率函数的卷积，当孔的透过率函1本课题得到四川大学辐射物理及技术教育部重点实验室开放课题基金资助。

- 1 -数是空间不变的，则可以通过反卷积获得源的空间分布信息。

半影成像比针孔成像立体角大、灵敏度高，对源的中子产额Y n 要求较低。

如：针孔成像：Y n >1014/shot ；而半影成像： Y n >108/shot ；另外，半影成像编码孔制作较针孔简单，而且半影成像瞄准较针孔瞄准容易。

考虑到我国目前的具体情况，中子半影成像技术是一种比较理想可行的内爆诊断方法。

图1中子半影成像示意图3. 实验方法中子半影成像，主要有两个步骤[1]：第一步：由中子源发射中子，经过编码孔形成编码像。

这一过程中，应当根据源的具体情况选择合适的编码孔，这时编码孔的点扩散函数孔（PSF ）可以认为是空间不变的，半径R c 和源半径R s 必须满足：(1/)(/)c i o s i o R L L R L L +>,式中： L o —源到孔的距离；L i —孔到探测器的距离。

源的亮度分布o(x,y)通过一个二维的编码孔a(x,y)之后，像的亮度分布为：1122(,)(,)(,)o o o i o i L L L L I x y Ca x o x y L L L L L L −−=∗∗++. 第二步：由编码像经过图像反演得到源的亮度分布，即中子通量分布。

图像反演的基本思想是：先分别将I(x,y)和Ca(x,y)进行傅立叶变换变成I(k x ,k y )和Ca(k x ,k y )，相应地：(,)(,)(,)x y x y x y I k k Ca k k o k k =⋅.通过简单地变换，这样我们就可以得到o(k x ,k y )，然后再通过逆傅立叶变换就可以得到源的中子亮度分布了。

具体的做法多种多样，但基本上都是通过将点扩散函数作为空间滤波器进行简化近似，对图像反演程序进行优化，在我们的调研中主要发现以下一些具体做法。

Nugent 的comb filter （IF ）方法，适用于离散化图像处理；近似维纳滤波(WP)方法,这种方法适用于加法性噪声较大的图像处理过程；均衡转换维纳滤波(WH)方法，这种方法可以使加法性噪声独立于信号；粗像自相关法[1]等。

- 2 -4. 半影成像的分辨率分辨率是成像的关键指标。

对于一个一定大小的源，要想真实地反映源的一些情况，合适的分辨率是相当重要的，对于一个较小的源，低分辨率是没有实际意义的，如对于50～200µm 的源分辨率应至少为10～50µm ，也就是说对于100µm 的源，25µm 的分辨率是必需的，当然分辨率越高越好，但由于实验条件限制，我们只能尽量提高分辨率。

影响分辨率的因素[2]主要有三个：首先，探测器对分辨率的影响。

由于探测器的基本探测单元有一定的大小，由Nyquist 理论可知，探测器的两点分辨率：2g d s G∆∆=. 其中，∆d 是探测器基本探测单元直径，G 是成像系统放大倍数，这个分辨率可以通过改变基本探测单元和放大倍数的大小来改善。

探测器的反冲质子位移造成的位置偏差，还有探测单元之间的色度干扰也会影响探测器的分辨率。

其次，装置误差对分辨率的影响。

由于系统硬件装置对成像中子的散射，以及源的噪声射线都会影响系统分辨率。

所以编码孔的材料、形状，实验装置的布局，装置的校准误差等，都是制约系统分辨率的重要因素。

空间分辨率∆s(J)正比于1/(J-1)1/2，其中J 为灰度级，J-1=n b /(3n b 1/2)，n b 探测器内探测到的事件数，由实验装置决定。

最后，系统模型的建立和反演程序的好坏也会影响分辨率。

要想得到较好的总的空间分辨率∆s ov 主要有三个途径[3]：尽量提高信噪比和反映信息量的灰度级，使∆s(J)尽量接近∆s g ；选取合适的反演方法使∆s ov 和∆s(J)尽量接近；改进两点分辨率∆s g 。

5. 国内外进展情况LLNL 的D.Ress ，R.A.Lerche 等人在实验上采用半影成像技术，首次获得了内爆中子图像，证实中子成像技术的可行性，该结果在1988年Science 上发表，靶直径1mm ，空间分辨为80µm [3]；法国Limeil 实验室O.Delage ，J.-P.Garconnet 等人利用Phebus 激光器开展中子编码成像研究，中子探测器尺寸φ150mm ，每个单元为1.5 mm ×1.5mm ，长10cm 的塑料闪烁体(Bicon 公司的BCF28型)，共有7850个单元，2×1010 DT 中子产额，总的空间分辨232 µm ，通过提高成像系统的灵敏度（提高光收集效率），中子产额3×108~5×109，总的空间分辨为103µm ；LLNL 的D.Ress ，R.A.Lerche 等人在实验上成功实现了中子半影成像诊断技术后，提出了空间分辨为10µm 的设计方案，但没有实验结果报道；1998年D.Ress ，R.A.Lerche 等人又报道了他们的结果，在5×1010~2×1011中子产额下，空间分辨为60µm ；2002年在Omega 上实验的结果，两点分辨为30µm ，总的分辨率为45µm ；Los Alamos 国家实验室致力于利用针孔相机作中子成像研究，目前的水平是采用50µm 针孔，空间分辨约为90µm ；2002年，L.Disdier 等人利用半影成像技术实现了源为932µm ，分辨率20µm ；而在即将建成的NIF 和LMJ 上要实现5～10µm 的分辨率。

- 3 -国外很重视这方面的研究工作，而我国却未见相关报道，这项工作迫切需要开展起来。

6. 工作设想目前我们已经具备了相应的实验条件，正在积极地开展相应的研究工作。

但现阶段，由于我们的源中子产额相对较低，而且工作开展较晚，所以我们当前的主要目标是：在调研国外相关方面研究的基础上，开展相应的工作，并且根据我们目前的状况，利用我们现有的有限的条件获得相对较好的结果。

目前我们认为可以改进的地方包括：建立更好的编码孔模型，进一步优化反演程序[4]，另外要对整套系统进行优化，包括编码孔的形状，探测器的组合搭建等等，尽可能提高系统的分辨率。

参考文献[1] A.Rouyer. Review of Scientific Instruments [J]. 2003,74:3.[2] L.Disier, A.Rouyer, D.C.Wilson, et al. Nuclear Instruments and Methods A [J]. 2002,489:496.[3] D.Ress, R.A.Lerche, R.J.Eill, et al. Science [J]. 1988,241:956.[4] Fa-xin Chen, Jian-lun Yang, Shu-huai Wen. High Power Laser and Particle Beams [J]. 2005,17:6. Application of Penumbral Imaging Technique in InertialConfinement FusionDongJian LIU1, 2, ChangHuan TANG2, Zhu AN1, YanMin DUAN1, Ying WU11Institute of Nuclear Science and Technology, Key Laboratory of Radiation Physics and Technology of Education Ministry, Sichuan University, Chengdu 610064, China2Laser Fusion Research Center, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, ChinaAbstractImplosion diagnosing of fusion capsule is very important to optimizing of capsules design and improvement of driving methods in inertial confinement fusion. At present, the techniques of diagnosing by X ray and visible light are well developed, while diagnosing by neutron lagged. The diagnosing technique by neutron is promising, it is more transparent and less noisy, and it can provide a real image of implosion. In this article, we will introduce the present situation of this research field and our own plan.Keywords:inertial confinement fusion, penumbral imaging technique- 4 -。