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《中国工程物理研究院》 2010年
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惯性约束聚变的中子半影成像诊断系统和非线性重建方法研究

余波  
【摘要】: 随着人类社会的不断发展,能源问题日益重要。为了解决目前能源短缺的问题,储量丰富、清洁的受控聚变能越来越受到人们广泛的重视。作为实现受控聚变的两种有效途径:磁约束聚变和惯性约束聚变,还处在研究阶段。目前在实验室条件下实现惯性约束聚变的有效方式是激光约束聚变,利用高功率激光器在极短时间内将聚变燃料靶丸加热、压缩到高温、高密度,使之在中心“点火”,实现受控聚变。 激光驱动的惯性约束聚变中,为了节省驱动能量,要求内爆具有高的收缩比,而高收缩要求辐射驱动有不均匀性大约为1%的高对称性。任何的驱动不对称性会使聚心运动的动能不能充分转换为燃料内能,同时会使内爆流体力学不稳定性变得严重,影响点火和燃烧,甚至导致点火失败。为此需要发展高质量的诊断技术,探测核聚变靶的时间行为和空间行为。中子半影成像技术,既能观察内爆过程中的流体力学不稳定性,又能了解内爆对称性,是惯性约束聚变极其重要的诊断方法。 为了达到5μm的空间分辨率要求,需要对诊断系统和非线性重建方法进行深入的研究,本论文正是基于此目的开展的。 本文首先对惯性约束聚变的一些基本概念、研究历史、诊断方法做简单介绍,分析中子半影成像的优势。重点介绍了中子半影成像原理、装置配备、诊断历史和目前广泛使用的重建方法,包括维纳滤波、自相关滤波等线性方法和模拟退火、遗传迭代、分子动力学等非线性方法。还对用于成像过程模拟的MC方法做简单介绍。 接着,比较细致地讨论诊断系统的优化问题。应用等晕性和尖锐性准则,优化得到的系统为:L0=9cm,L1=9m,厚度为5cm,外半径为0.5cm的双锥型半影孔诊断系统;给出优化后的诊断系统的线性安装要求;并给出系统的理论分辨率和测试分辨率。 然后根据惯性约束聚变实验装置的真实布局,仔细考虑散射中子对成像质量的影响,利用MCNP模拟得到散射中子对诊断影响有限,可以忽略的结论。还编写了闪烁体探测器的中子能量响应MC程序,模拟中子在氘化闪烁体探测器中的能量沉积,验证得到能量沉积与中子面通量基本成正比。 最后对中子半影成像的非线性重建进行讨论。对用于图象重建的分子动力学方法进行改进,使用能更快收敛的蛙跳格式,并添加规整化项以保持图像细节;同时对图像重建的共轭梯度方法进行分析,揭示它与分子动力学方法的联系和区别;还探讨图像的统计重建方法。 本文对中子半影成像诊断系统的优化,对安装精度、散射中子的分析,以及对重建方法的探讨,可以指导实际的诊断实验和解谱。理论模拟表明,中子半影成像诊断系统能够满足5μm的空间分辨率要求。
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