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CT法测量束流发射度的应用分析
CT法测量束流发射度的应用分析
CT法测量束流发射度的应用研究
摘要
发射度是反映加速器束流品质的重要物理参数,产生高亮度强流束是新一代加速器技术的一个重要发展方向,随着高平均功率自由电子激光,超高能超导直线加速器以及第四代光源的发展,束流发射度的精确测量显得日益重要。
现有的测束方法往往与束流模型有关,而且精度较低,通常只有百分之几十,远不能满足相关需要。
为了提高束流发射度的测量精度,曹泽新、施义晋提出利用医学上的断层扫描技术与参数可调的输运元件相结合,为束流的诊断和测量提供了一种与模型无关的新方法——cT法,CT(computerizedtomography)是电子计算机断层扫描技术英文缩写。
为了使CT法更好的应用到束流发射度的实际测量中,本文在深入研究CT法测束流发射度的基础上,对该方法在实际应用中将要遇到的问题作了进一步的研究。
以期对CT法测量束流发射度的实际应用提供理论依据和技术支持。
首先,通过模拟CT法测稳定束流发射度,验证了该技术可以取代其它方法来高精度地测量束流发射度;发掘了CT法测束流发射度的优点;提供了测量时的技术参考。
其次,模拟实际测量过程中存在的外加电流影响和x射线干扰,研究表明:
在存在外加电流影响和x射线干扰的情况下,CT法测量束流发射度程序的运行速度不受影响,重建后的图像,轮廓清晰,图形不失真,发射度的测量精度高,能够满足测量需要,同时提出了去噪的参考方法。
第三,模拟四极透镜电流取值分布对CT法测束流发射度影响,模拟计算结果表明:
电流取值均匀时,投影角度非常不均匀,导致重建效果很不理想;而角度的均匀取值可使束流发射度的测量效果最佳。
提出测量时采用弧度定标,即先均匀选取角度矽,计算出均匀矽角对应的电流f值,然后再根据f值调节四极磁铁电流。
该方法可以解决由于四极透镜电流均匀取值,导致投影角度不均匀,重建图像效果不理想的问题。
模拟了CT法测束流发射度弧度定标全过程。
弧度定标方法在提高测量精度的同时还减少测量次数,降低工作人员的工作量,对cT法测量束流发射度的实际应用有重要的意义。
在以上研究工作进行的同时,开发了C,I’法测束流发射度弧度定标程序,模拟了CT法测束流发射度全过程。
关键词:
束流发射度,CT,噪声,弧度定标
onImp¨cationofMeasuringBeamEmittanceby
USingCTAbstraCt
Emittanceisafhnd锄entalphysicalparametertorenectbe锄qualityofan
accelerator.Tbproducebe锄sof11igllluminanceandimensityisa11importaIlt
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n都f.erringdevices、耵hoseparametercanbechanged.
InordertoapplyCTmethodt0meaSudngbe锄emittallce,thisthesisdoessome
researchonmeproblemsthatwillappearduringme印plicationofCTmethod.Thepu印oseistoproVidesometheoryandtechnologysuppon.
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keywords:
beamemittance,CLnoise,怕diansca¨ng
Ⅱ
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本人所呈交的学位论文是在导师的指导下取得的研究成果。
据我所知,除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。
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鲨垒纽扯
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保密的学位论文在解密后适用本规定。
作者签名:
么罨斗日期:
—丝馨牛
cT法测量束流发射度的应用研究
第一章引言
发射度是反映带电束流品质的重要物理参数,发射度的精确测量对于束流不稳定性的研究,束流品质的提高,加速器的研究和制造有着重要的物理意义。
一、研究束流发射度测量的意义
原子核物理和原子能科学技术的发展,是同各种低能和中能带电粒子流的应用分不开的。
人们研究原子核的一个重要手段,是用各种低能和中能带电粒子流去轰击靶原子核,这时所用的带电粒子流有质子流、电子流、氘核流、Q粒子流(氦原子核)以及其它重离子流。
在高能物理中,人们研究各种基本粒子的性质和结构,研究它们相互作用和相互转化的规律,以及寻找新的粒子,所用的主要手段就是利用高能带电粒子流去轰击作为靶的基本粒子。
所用的初级带电粒子流有高能质子流、高能电子流以及正在发展的高能重离子流。
这些初级粒子流打在靶上产生的次级粒子流有K介子流(K±)、介子流(石士)、反质子流(尸一)以及各种轻子流和超子流。
在研究用带电粒子流来开辟新能源方面,用重离子高能加速器加速出来的粒子流去轰击固态的氘、氚小球,实现受控热核反应。
探讨用高能强流直线加速器加速出来的质子流去轰击铀238得到大量中子,这些中子经过慢化后从铀238生产钍232,从钍232生产铀233,亦即把非核燃料物质变成优质的核燃料。
为了实现重离子束从各方向准确而有效地击中氘、氚小球,人们希望能够设计和建造出一系列能够很好地使重离子束聚焦的束流传输系统,这就需要精确测量重离子束的发射度。
为了满足使用各种带电粒子流的日益增长的需要,用来生产带电粒子流的各种类型的加速器也正在突飞猛进的发展着。
例如,用来产生低能和中能带电粒子流的加速器有高压倍加速器,质子和电子静电加速器,电子感应加速器,质子和电子直线加速器,迪旋加速器,稳相加速器,等时性加速器以及由静电加速器派生出来的串列式加速器,由等时性加速器派生出来的分离扇加速器等等;用来产生高能带电粒子流的加速器有质子同步加速器和质子对撞机,电子同步加速器和电子对撞机,电子一质子对撞机,以及高能重离子加速器。
带点粒子流广泛地应用于工业、农业、医学和国防。
例如,用重离子束注入技术生产大规模集成电路和进行金属表面处理;在电子束打靶作为y源用于深度工业探伤、种子照射和医疗消毒;质子流打在靶上产生中子,用于治癌;强电子
cT法测量束流发射度的应用研究
流、强质子流和氘核流打在靶上产生强7和强中子辐射,用来模拟核爆炸,进行材料辐照试验,研制粒子束武器等川。
随着带电粒子流在现代科学技术中日益广泛的生产和应用,束流发射度的精确测量也越发重要。
如何精确地测量束流发射度对于上述领域,特别是高亮度强流加速器的研究和制造有着重要的物理意义。
只有拥有高精度的测束方法才能提出有较严格理论基础的高量度束流装置的设计原则。
二、束流发射度测量方法及其局限
(一)胡椒孔法
20世纪末,强流电子束发射度的测量多采用胡椒孔法。
这是一种发射度的直接测量方法。
这种方法通过实验测出垂直于束流的胡椒孔平面内取样束元的角分布,再在相空间做出束流相图,计算相面积,得到发射度。
该方法的不足之处在于:
它忽略了空间电荷力的影响;在测量过程中,胡椒孔板的存在会改变束流的发射度,从而影响测量结果:
随着束流粒子能量的提高,取样束元的角分布范围会变小,这也给实际测量带来了困难∞咱1。
(二)三梯度法和修正三梯度法
21世纪初,国内科研机构普遍采取三梯度法。
三梯度法是一种发射度的间接测量方法。
这种方法通过实验测量不同磁场下
的束半径,利用传输矩阵来计算渡越曲线,再用渡越曲线拟合测量数据点,求出发射度的拟合解。
由于传输矩阵中很难包含空间电荷力的影响,而低能、强流束的空间电荷力又很显著。
所以三梯度法不适用于强流束。
修正三梯度法是在三梯度法的基础上,在渡越曲线的计算上做了修正,用求解束包络方程来代替传输矩阵运算,计算渡越曲线。
该方法虽然考虑了空间电荷力的影响,但该方法假设电子束的相空间为椭圆,最后解多元方程组还与条件数的选择密切相关,系统误差较大哺刮。
(三)OTR测束方法和切伦科夫辐射测束方法
对于强流、高能电子束发射度的测量,目前国际上正在积极发展的主要有oTR测束方法(OpticalTransitionRadiation,光学渡越辐射)和切伦科夫辐射(CerenkovRadiation)测束方法。
2
CT法测量束流发射度的应用研究
利用切伦科夫辐射、oTR或荧光靶等光学诊断方法进行发射度测量,国内外绝大部分实验是用CCD相机观测电子束打靶产生的光斑,变化四极透镜的磁场梯度,应用“三梯度法’’间接计算出发射度。
该方法必须假设电子束的相空间为椭圆,并忽略了空间电荷效应,最后解多元方程组还与条件数的选择密切相关,系统误差较大H3。
CT法测束流发射度的提出
强流加速器及其粒子束在军事、能源、科技等领域有十分重要的应用和发展前景。
束流发射度是反映束流品质的一个重要物理参数,束流发射度的精确测量对于加速器的研究和制造有着重要的物理意义。
要研究束流不稳定性,提高束流品质,必须提高束流发射度的测量精度。
现有的一些测量发射度的方法往与束流模型有关,精度较低,通常只有百分之几十,远不能满足相关需要。
为此,曹泽新、施义晋提出利用医学上的断层扫描技术与参数可调的输运元件相结合,为束流的诊断和测量提供了一种与束流模
型无关的新方法——CT法盼一1,来测量束流发射度。
CT法测束流发射度在测量束流发射度的过程中有以下优点:
第一,该程序不需要预设初始发射度图像;第二,对束流发射度的重建精度很高;
第三,CT法在束流发射度测量中的应用对实验器材的要求不高,在实验上完全可以实现。
随着加速器技术的成熟,束流的稳定性会进一步得到提高,该技术的优势也会得到更好的体现,具有很广阔的潜在应用前景。
将该方法应用到新一代强流加速器的制造中,对强流不稳定性的研究,高亮度强流束的产生、维持和输运将起到推动作用。
四、本文研究的主要内容
本文在研究CT法测稳定束流发射度的基础上,对CT法测束流发射度的实际应用进行了一系列的研究。
研究内容如下:
1.计算机模拟研究CT法测稳定束流发射度,分析CT法测束流发射度的特点。
2.模拟计算并分析本底噪声和突变噪声对重建精度的影响,提出去噪的参考方法。
3.模拟四极透镜电流取值分布对CT法测束流发射度的影响,提出测量时采用弧度定标方法,即先取均匀投影角度,根据投影角度计算四极透镜电流值,然
3
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后再测量的方法。
4.编程模拟CT法测束流发射度全过程。
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第二章CT法测束流发射度理论基础
一、CT原理
CT(computerizedtomography)是电子计算机断层扫描技术英文缩写。
医学上的CT通常是指X射线的CT装置,借助CT,病人体内细微的病变情况都能够清晰地呈现,医生可以快速准确地诊断、掌握病情,对症治疗。
CT也因此挽救了很多病人的生命。
第一台CT机,这时的CT可以清晰显示于1967年至1970年间由英国EMI公司的工程师豪斯菲特研制成功,并于1971年9月正式安装在伦敦的AtkinsonMorley医院四1。
目前,CT机已使用的极为普通,不但可以检查头部,而且可以检测全身各部位,它已成为医疗诊断上十分重要的工具。
(一)CT数学基础
cT数学基础是Radon变换:
已知函数则其沿直线z的线积分为:
p=f厂(x,y姥=f夕(,.,秒)出(2.1)
二二
称为Radon变换;其逆过程为:
若已知p就可以重建厂(x,J,),公式(2.2),称为Radon反变换。
夕∽咖专Jcr£忑梳砉删伊汜2)
(二)CT基本思想
1.数据采集
取一理想的X射线源,它发出极细的笔束x射线,在其对面放置一台检测器(如图2.1)。
测出X射线源发出的强度,o,以及经过物体(例如如头颅)衰减以后到达检测器的X射线强度,,再将X射线源与检测器在观察平面内(如图2.2)同步平移一定步数Ⅳ,,每平移一步均作同样测量。
如此取得一组数据。
然后旋转一个小角度△矽(例如10),再同步平移M步,取得新角度下的另一组数据。
如此重复,直至旋转M次,作M△矽=1800旋转,取得M组数据后停止。
5
CT法测量束流发射度的应用研究
图2.1c,r的发射源与监测器示意图2.2平移/旋转扫描方式示意图
2.重建图像
取得上述数据后,由这些数据重建物体内断层图像。
先假定物体是均匀的,物体对于X射线的线性衰减系数为∥,强度为,o的X
射线行进x距离后,衰减至,,根据Beer定理有:
,=厶P叫(2.3)
—弭
或o
∥x=lIl(厶/,)(2.4)
若物体是分段均匀的,各段的线性衰减系数分别为H,鸬,鸬,相应的长度
为而,屯,毛,为(见图2.3),则下式成立,
朋而+鸬而+鸬屯+=hl(厶/,)(2.5)
更一般地物体在砂品面内都不均匀,即衰减系数∥叫(x,y),则在某一方向
,,沿某一路径三的总衰减为:
I∥刃=坂厶/,)(2.6)
三
此即射线投影。
若未指定具体路径,只说明沿某一方向,即阻讲称为投影,投影是一组射线投影的集合。
显然,测得,o与,即可知道阻讲。
而投影重建的任务就是根据一系列的投影阢讲推求被积函数∥,这样就可以得出相应于∥分布的图像,这就是C,II成像叫。
3.CT法测量束流发射度借鉴
CT法测束流发射度方法中,p就相当于束流在横向剖面上沿不同角度的一组平行线上的投影数据,厂(x,y)相当于束流二维相空间密度分布函数或发射度。
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cT法测量束流发射度的应用研究
这样根据Radon反变换,采集束流在横向剖面上沿不同角度的一组平行线上的投影数据,就可以重建束流二维相空间密度分布函数和发射度(见图2.4)o
f
图2.3X射线强度经介质衰减图图2.4投影重建原理图
二、束流基础
带电束流是带电粒子流的简称。
在现代科学技术中,带电粒子流的应用非常广泛,对于许多前沿科学和尖端技术的发展起着重要的推动作用。
(一)束流相空间
为了研究带电粒子束在加速器及其束流传输系统中的运动规律,用粒子运动的相空间来描述粒子的运动状态。
相空间是指用广义坐标所表示的空间。
广义坐标是由粒子的位置坐标吼和动量p,组成的。
例如,假定粒子的运动有x、y和z三个自由度,其广义坐标就是
∞y,z,p,,阶p,),构成六维相空间。
有时我们只关心粒子的横向运动,即
与束流轴线垂直方向的运动,这时采用(弱J,,以,p。
)四维相空间就够了,如果粒子在两个横向平面内的运动是相互独立的,就可以分别研究粒子在两个横向平
面内的运动。
这时,只要两维相空间就够了,它们分别是∞p。
)和①p,)。
以二维相空间间似x’)来说明,其中x’=出/出=p。
/p:
为归一化动量,表示
粒子运动的方向或称为散角。
图2.1表示一束粒子的运动。
其中(a)为轨迹空间;(b)为相空间。
在图2.1(a)中,如果在z=互处的束流截面上任取一点M,就有许多粒子的轨迹在M点相交。
显然,在轨迹空间中描述所有过点M的粒子的运动是不可能的。
然而,如果采用相空间就可以很容易地描述过M点的所有粒子的运动状态。
在图2.1(b)中,取x=‰,并过此点作轴线x’的平行线彳’∥,点么’就表示束流中斜率最大的粒子,F表示斜率最小的粒子。
这样,过点M的所有粒子就落在么’和∥之间了晦1。
7
CT法测量束流发射度的应用研究
l工’
』,
/1
嘞
L。
——_一丁
D
(I)雌空n口∞相空闶
图2.1束流运动的描述
(二)束流发射度
1.束流发射度相图在加速器或束流传输系统中,人们对单个粒子的运动状态不感兴趣,而是研
究全体粒子组成的整体,即束流的运动规律。
在每个相平面内,各个粒子的代表
点所组成的图形称为束流的发射相图,发射相图的面积称为发射相面积。
一般情况下相平面内形成的相图形状是任意的,在理想情况下,若每个粒子都做简谐运动,它们在相平面内的相图为一椭圆,但实际测量的相图,由于实验条件的不同,会有各种各样的形状,为了分析和计算的方便,人们往往把这些实测相图用椭圆来逼近。
2.发射度
发射度是反映束流品质的一个重要物理量,发射度小说明束流准直、品质高;反之,发射度大束流品质底。
目前实验上能方便测量的是二维相空间发射度,本文讨论的也是二维相空间发射度。
束流二维发射度:
g.:
塑(2.7)
3.束流传输中的刘维定理刘维定理的两种叙述方式:
(1)假如粒子体系的运动是正则的,则相点的密度在运动中保持常数。
(2)假如粒子体系的运动是正则的,则它所占的相体积在运动中保持常
数。
8
c,r法测量束流发射度的应用研究
束流在相平面内形成的相图的形状是任意的,但由刘维定理我们知道:
对于同一粒子体系束流的相面积不变,即相平面中发射度不变,瓦等于常数。
三、束流传输理论
(一)四极铁传输矩阵
在不计入束流空间电荷效应时,四极磁铁形成的四极场中粒子运动方程为:
x’’+%2x=O(2.8)
y”一K2y=O(2.9)
z”=O(2.10)
其中Kz:
墨笔。
为了计算方便,通常K:
以l/cm:
为单位,e以电子电荷为单
‰c‘∥
位,%c2以Py为单位,B’磁场梯度以Gs/cm为单位,注意磁场单位的换算是1Gs=300V/cm。
∥是粒子无量纲速度∥=兰,1,是粒子运动速度7:
相对论因子
1
尸丽。
以F四极铁为例(在这种四极铁中:
粒子在x方向受到使它趋向中心轨道的聚焦力,而在y方向受到使它离开中心轨道的散焦力。
)式(2.8)的解为:
x2而cos%(z—zo)+丢虹n%(z—zo)(2·11)
,=一而sinK(z—zo)+《cosK(z—zo)(2.12)
‘
式(2.9)的解为:
y2%撼(z一磊)+莹蜗(Z‘)(2·13)
y’=%Ksh‰(Z—Zj)+y,ch‰(Z—Zj)(2.14)
这些解描述单个粒子在四极铁中运动轨迹x,y为粒子轨迹的横坐标,,,y’分;
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