一种质子束成像探测等离子体密度分布的装置的制作方法

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种质子束成像探测等离子体密度分布的装置。

背景技术：

等离子体密度分布通常可以用激光干涉测量、分光镜测量和汤姆森散射等方法探测。然而，如果等离子体的区域密度高于10²¹/cm²，上述三种方法难以发挥作用。超强超短激光脉冲与薄膜靶产生的高能质子束具有射程较长、发射源较小、持续时间比较短和密度较大等优点，因此高能质子束成为稠密等离子体中密度探测的较佳选择。

当质子束能量很低或等数量的电子束与质子束共同运动时，等离子体中质子束的自生磁场可以忽略。如果只考虑被探测等离子体的粒子碰撞对质子束的影响，那么就可以由入射质子束的库仑能量损失来重建等离子体的密度分布。这种方法适用于密度较大和厚度较大的等离子体，尤其是激光核聚变中的等离子体。因为质子束的偏转角度远远小于电子束的偏转角度，所以质子束在等离子体中的传输可以近似认为是直线，这样使用质子束的库仑能量损失来重建等离子体的密度分布就变得较为容易。另外，如果入射质子束能量是玻尔兹曼分布，那么质子束中的不同能量部分到达探测器的时间不同。探测器的每一层可以选择不同能量的质子束，因此rcf探测器的每一层都包含了一个特定时间的目标靶的密度分布情况。等离子体密度的二维断层成像中，重建方法可以选择tikhonov正则化方法和同时迭代算法(sirt算法)，质子源的个数是4个，而且位置都是固定不变，但是现有技术重建等离子体的三维密度分布的精度并不高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种将质子源产生系统围绕被探测等离子体旋转，质子源产生系统旋转过程平稳，有效提高等离子体的三维密度分布重建精度的质子束成像探测等离子体密度分布的装置。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：一种质子束成像探测等离子体密度分布的装置，包括：

质子源产生系统：用于产生具有散射角和宽度的质子束使其围绕被探测等离子体；

能量探测器：用于探测等离子体中出射质子束的能量；

数据采集和处理系统：用于对等离子体的三维密度分布进行直观的图形显示，及用于分析出射质子束能量数据从而对激光器参数进行设定。通过质子源产生系统产生质子束并360°围绕被探测等离子体旋转，可实现多个质子源发射的高能质子束照射被探测的等离子体。电脑采集到高能质子束在被探测区域的入射能量和出射能量后，根据质子束在等离子体中的库仑能量损失公式，得到以每个像素密度为变量的大型病态线性方程组，然后使用反问题中常见的重建算法，得到被探测等离子体中每个像素的密度，从而求出等离子体的三维密度分布，并进行直观的图形显示。

为优化上述技术方案，采取的措施还包括：质子源产生系统包括可同步或不同步旋转的激光器和薄膜靶，可实现多个质子源发射高能质子束，提高重建精度。作为优选，激光器和薄膜靶下方连接有安置在导轨主体上的滑块，通过将激光器和薄膜靶安置在滑块上，可通过移动滑块带动激光器或薄膜靶在导轨主体上移动，即可实现激光器和薄膜靶同步旋转或不同步旋转。作为优选，滑块与导轨主体滑动连接，导轨主体为门型，导轨主体内侧面通过锁紧螺栓连接有配合板，导轨主体两侧面设有凹槽，凹槽内嵌有滚球，配合板表面嵌有与滚球滚动连接并限位的钢球，滑块内侧连接有用于对钢球限位的限位板，采用滚球代替滑轮作为滑动介质，当滑块相对导轨主体相对滑动时，滚球与钢球进行滚动运动，将原本的线接触方式改变为点接触的方式，有效降低滑块相对于导轨主体运动时的摩擦阻力，并且动、静摩擦力之差小，大大降低驱动信号与机械动作之后的时间间隔，提高操作灵敏度，激光器或薄膜靶在移动过程中产生振动的频率下降，甚至杜绝，激光器和薄膜靶的稳定性得到极大的提高。作为优选，导轨主体上端与滑块之间设有滚球，通过在导轨主体上端设置滚球实现滚球与滑块内侧面为点接触保证滑块的反应灵敏度及减振效果，同时滚球与导轨主体上端为面接触，可使滑块相对于导轨主体的稳定性提高。作为优选，滚球包括中空的外层，外层内设有中空的内层，外层与内层之间连接有弹簧，内层内置至少两个碰撞体，滚球在滚动过程中滚球内部的碰撞体不断发生碰撞使内层相对于外层的球心位置不断发生变化改变对外层受到的交变压力，经试验测试，有效降低滚球与钢球的摩擦和滚球和钢球在反复摩擦接触中出现微裂纹的几率，延缓了微裂纹的不断扩大和延伸，有效保证激光器和薄膜靶的稳定性，降低其在移动过程中的振动频率，从而保证质子源产生系统产生的质子束具有散射角和宽度且能量稳定，使最终质子能量测量结果精准。作为优选，能量探测器与数据采集和处理系统连接，数据采集和处理系统设置于电脑内，可通过能量探测器探测得到的数据直接对等离子体的三维密度分布进行直观的图形显示；可通过分析出射质子束能量数据从而对激光器参数进行设定，避免质子束离开等离子体前耗尽或能量太高导致质子束的最终能量差异传播后过小的情况出现。作为优选，能量探测器环绕设置于等离子体，通过环绕设置能量探测器可有效探测出射质子束的能量，提高等离子体三维密度分布重建的精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过质子源产生系统产生质子束并360°围绕被探测等离子体旋转，可实现多个质子源发射的高能质子束照射被探测的等离子体，得到以每个像素密度为变量的大型病态线性方程组，然后使用反问题中常见的重建算法，得到被探测等离子体中每个像素的密度，从而求出等离子体的三维密度分布，且有效提高等离子体的三维密度分布重建的精度。

附图说明

图1为本发明一种质子束成像探测等离子体密度分布的装置示意图；

图2为本发明滑块与导轨主体配合的剖视图；

图3为滚球剖视图；

图4为实施例2中四个相同的质子源分布放置图。

附图标记说明：1.滑块；101.锁紧螺栓；2.导轨主体；3.滚球；301.外层；302.弹簧；303.内层；304.碰撞体；4.限位板；5.配合板；501.钢球。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

如图1-3所示，一种质子束成像探测等离子体密度分布的装置，包括：

质子源产生系统：用于产生具有散射角和宽度的质子束使其围绕被探测等离子体；

能量探测器：用于探测等离子体中出射质子束的能量；

数据采集和处理系统：用于对等离子体的三维密度分布进行直观的图形显示，用于分析出射质子束能量数据从而对激光器参数进行设定。通过质子源产生系统产生质子束并360°围绕被探测等离子体旋转，可实现多个质子源发射的高能质子束照射被探测的等离子体。电脑采集到高能质子束在被探测区域的入射能量和出射能量后，根据质子束在等离子体中的库仑能量损失公式，得到以每个像素密度为变量的大型病态线性方程组，然后使用反问题中常见的重建算法，得到被探测等离子体中每个像素的密度，从而求出等离子体的三维密度分布，并进行直观的图形显示。

质子源产生系统包括可同步或不同步旋转的激光器和薄膜靶，可实现多个质子源发射高能质子束，提高重建精度。激光器和薄膜靶下方连接有安置在导轨主体2上的滑块1，导轨主体2和滑块1位于激光器和薄膜靶下方其高度位子不影响激光器和薄膜靶正常工作，通过将激光器和薄膜靶安置在滑块1上，可通过移动滑块1带动激光器或薄膜靶在导轨主体2上移动，即可实现激光器和薄膜靶同步旋转或不同步旋转。滑块1与导轨主体2滑动连接，导轨主体2为门型，导轨主体2内侧面通过锁紧螺栓101连接有配合板5，导轨主体2两侧面设有凹槽，凹槽内嵌有滚球3，配合板5表面嵌有与滚球3滚动连接并限位的钢球501，滑块1内侧连接有用于对钢球501限位的限位板4，采用滚球3代替滑轮作为滑动介质，当滑块1相对导轨主体2相对滑动时，滚球3与钢球501进行滚动运动，将原本的线接触方式改变为点接触的方式，有效降低滑块1相对于导轨主体2运动时的摩擦阻力，并且动、静摩擦力之差小，大大降低驱动信号与机械动作之后的时间间隔，提高操作灵敏度，激光器或薄膜靶在移动过程中产生振动的频率下降，甚至杜绝，激光器和薄膜靶的稳定性得到极大的提高。导轨主体2上端与滑块1之间设有滚球3，通过在导轨主体2上端设置滚球3实现滚球3与滑块1内侧面为点接触保证滑块1的反应灵敏度及减振效果，同时滚球3与导轨主体2上端为面接触，可使滑块1相对于导轨主体2的稳定性提高。滚球3包括中空的外层301，外层301内设有中空的内层303，外层301与内层303之间连接有弹簧302，内层303内置至少两个碰撞体304，滚球3在滚动过程中滚球内部的碰撞体304不断发生碰撞使内层303相对于外层301的球心位置不断发生变化改变对外层301受到的交变压力，经试验测试，有效降低滚球3与钢球501的摩擦和滚球3和钢球501在反复摩擦接触中出现微裂纹的几率，延缓了微裂纹的不断扩大和延伸，有效保证激光器和薄膜靶的稳定性，降低其在移动过程中的振动频率，从而保证质子源产生系统产生的质子束具有散射角和宽度且能量稳定，使最终质子能量测量结果精准。能量探测器与数据采集和处理系统连接，数据采集和处理系统设置于电脑内，可通过能量探测器探测得到的数据直接对等离子体的三维密度分布进行直观的图形显示，可通过分析出射质子束能量数据从而对激光器参数进行设定，避免质子束离开等离子体前耗尽或能量太高导致质子束的最终能量差异传播后过小的情况出现。能量探测器环绕设置于等离子体，通过环绕设置能量探测器可有效探测出射质子束的能量，提高等离子体三维密度分布重建的精度。

实施例2：

本发明的一种质子束成像探测等离子体密度分布的装置实际使用时：

首先将二维的正方形薄片等离子体划分为很多小方格，本实施例中为像素n＝14×14个。

高能质子在氘氚等离子体中的传输时，角度偏转是很小的，可以认为质子沿直线传输，它的停止功率为如下式所示：

这里ep和vp分别是探测质子束的能量和速度；nfe是等离子体中自由电子的密度；lfe是高能质子和背景等离子体中电子碰撞的库仑对数；ε0是真空时的介电常数；ωp＝(4πnfee²/me)^1/2是等离子体的频率；-e和me分别是电子所带电荷数和电子质量。

式1成立的条件是：入射质子的速度远远大于背景等离子体电子的热速度，即ve＝(2te/me)^1/2；高能质子的能量大于0.1mev，所以电子的捕获和损失可以忽略，质子的有效电荷数保持1不变；高能质子是非相对论的，所以相对论效应可以忽略不计。这三个条件在本实施例都是可以满足的，本实施例中高能质子的能量为几十兆电子伏特，且在点火激光照射聚变靶之前背景等离子体中电子的热速度远远小于10kev。因为氘氚等离子体是完全离化的，所以只有自由电子发挥作用。

假设在每个小格子中密度均匀，其中一束质子束在小格子中的传输长度为l，使用非相对论极限，式1可以积分后得到：

这里为常数值，ep0和ep1分别是质子束入射和出射小格子时的能量值。这个表达式的一个显著特点是：如果ep0和ep1已知，那么表达式中只是含有一个未知变量，即自由电子的密度nfe。

当探测质子束在非均匀等离子体中以一个特定方向传输的时候，以每个小格子密度为变量的方程为

其中n1,n2,n3……n(n-1),nn分别是每个小格子的密度，l1,l2,l3……l(n-1),ln是这个特定质子束在每个小格子中传输的距离。为了求出不均匀等离子体的密度分布，应该有m(m>n)个以每个小格子密度为变量的线性方程，因此需要m个质子束探测被研究的等离子体。然后可以得到以每个小格子密度为变量的大型线性病态方程组。

ax＝b,式4

其中

使用在其他反问题中比较常用的tikhonov正则化方法来求解式4。这里需要求解λ的最小化问题，即：

min{||ax-b||2²+λ²i²},式5

其中i是单位矩阵,λ是正则化因子,a^t是a的转置矩阵。因此x可以用下面的方程得出：

(a^ta+λi²)x＝a^tb.式6

合适的λ和相对应的x可以求解式4。寻找合适的正则化因子算法可以使用以l-曲线准则为基础的牛顿算法和快速算法。计算的误差可以定义为：

er＝norm(d′-d)/norm(d),式7

其中d为模拟的密度矩阵，d’为计算得出的密度矩阵

所模拟的2d等离子体的密度数量级是10²⁵/cm³，重建区域在x轴和y轴方向的坐标都是从390μm到600μm。等离子体的密度分布情况可以表示为：

这里k是坐标到等离子体中心区域(495，495)的长度。把每个小格子密度定义为小格子中心处的密度，可以得到所模拟的密度分布矩阵d。四个相同的质子源分布放置于(0,195),(0,495),(0,990)和(390,0)，且能量为15mev，如图4所示。能量矢量b可以由式1和式8联立求出，使用含有218个元素的能量矢量和tikhonov正则化方法可以得到重建的密度分布矩阵d’。

上述实施例中涉及的常规技术为现有技术，故在此不再详细赘述。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。