基于Geant4的高能电子照相模拟研究

来源 :中国工程物理研究院 | 被引量 : 1次 | 上传用户:Rainwave
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带电粒子成像技术作为新型辐射成像技术,近年来有了极大的发展。与传统的辐射成像技术相比,在面密度分辨、材料分辨、多视角动态照相等方面大大提高了流体动力学实验的诊断能力。目前,质子照相可获得mm量级的空间分辨率,适合宏观尺度的诊断。相比质子照相,电子照相理论上空间分辨率可达到1μm量级,可以诊断更精细的结构,且高能电子更容易实现。本论文采用Geant4模拟软件,建立GeV量级电子束成像模型,对高密度靶、厚靶成像,研究高能电子的成像能力。电子照相成像模型主要包括相互作用和成像系统两部分:电子束与物质相互作用导致电子束能量和角度发生变化,这也是电子照相成像的基本原理。Geant4作为开源程序包,可自行调用相关物理过程,实现电子与客体相互作用。计算结果表明,Geant4模拟结果与理论计算结果基本一致,因此可用于研究各种物理作用对成像品质的影响;电子照相中的成像系统,是电子照相实现高空间分辨能力必备部件。成像系统包括匹配段和成像段:匹配段对加速器出射电子束进行调制,以满足成像对束流品质的要求;成像段是由两对四极磁透镜组成,通过对电子束聚焦、散焦,可以实现点对点成像。本论文中主要利用Transport程序得到给定条件下四极磁透镜参数,在Geant4中直接设置产生相应的四极磁场,实现成像系统编译工作;基于以上理论,可实现电子照相全过程数值模拟。此后仅需设定初始电子参数,即可获得需要的成像结果。在本论文中,针对不同材料、厚度的样品,分析了12GeV电子的空间分辨能力和次级粒子对成像质量的影响。结果表明:12GeV高能电子可达到亚微米量级的空间分辨;电子照相成像模糊主要是色差模糊且相互作用产生次级粒子对成像模糊的贡献可以忽略。此外,对即将开展的2.5GeV电子照相验证性实验,设计实验所用成像束线,建立2.5GeV电子照相模型,用于评估2.5GeV电子束的空间分辨能力,密度分辨能力以及边缘像差对成像品质的影响,为实验开展提供有力的数据支持。结果表明:2.5GeV电子束可实现μm量级空间分辨和3%密度分辨;通过对电子束调制,可令边缘像差与中心像差保持一致。
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