康普顿散射原理-Indico

康普顿散射原理
光子与处于静止状态的一个自由电子碰撞发生散射，将部分能量传递给 电子，散射过程满足动量守恒和能量守恒定律 • • 散射光子能量：
h h ，其中 1 (1 cos ) m0 c 2 m0c 2

散射光子与电子角度关系：
cot (1 ) tan 2
单能光子入射产生电子(0~1 度角范围)的能谱分布
Be 0.1mm Fe 0.1mm
• 电子对效应影响接收
电子与入射光子的明
确能量对应关系 • 靶材料：选择轻质材 料（Be），电子对生 成效应截面相对较小
宽谱电子能量分析磁铁
• • •
康普顿电子由孔径为1.4 cm的石墨准直体准直，前向散射角接收宽度小于1deg； 宽谱分析磁铁由永磁体和磁极片构成，结构类似四极磁铁的一半，由一块铁磁材 料代替四极磁铁的另一半 ，作用相当于“磁镜面”(magnetic mirror)； 磁场梯度 632 Gs/cm，平均磁场强度 ~ 6 kGs，最大磁场强度 ~ 12 kGs.
康普顿散射靶
康普顿散射截面(σ_c)与电子对生成效应截面(σ_pp)
E_p/MeV 1 5 10 15 20 Be σ_c/barn 0.845 0.331 0.204 0.151 0.121 σ_pp/barn 0.019 0.039 0.051 0.061 σ_c/barn 5.52 2.15 1.33 0.981 0.786 Fe σ_pp/barn 0.76 1.41 1.86 2.17
限制闪光照相密度反演精度提高 的主要因素
• • • 光子散射对接收图像信号的影响 光源的实际能谱分布 图像接收系统的响应曲线（即光
学图像密度和照射量的转换曲线）
研究背景
在高能闪光照相中，X射线源由加速器所产生的强流脉冲电子束轰击 高原子序数靶的轫致辐射提供

神龙二号加速器 • 三脉冲 • 18 ~ 20 MeV • ~ 2 kA

神龙一号加速器 • 单脉冲 • 18 ~ 20 MeV • ~ 2.5 kA
研究背景
闪光照相X 射线源特点
• • • • 宽谱连续分布（0.1 ~ 20 MeV） 光子能量分布差异大 短脉冲 <100ns 照射量大 ~400R@1m

X 射线能谱对闪光照相影响
• 透射成像是基于不同材料密度和几何厚度对X射线 的吸收衰减差异来获取客体内部的状态信息
• • 康普顿电子动能： T ( )m0c2 康普顿电子最大动能： 2 Tmax h , =0 1 2
选择确定的角度(如0度)，反冲电子能量与入射光子能量有确定的对应关系
康普顿电子空间分布
康普顿电子角度分布
康普顿电子微分截面 不同接收角宽度的截面曲线
•
入射光子能量越大，反冲电子运动方向越集中于 0 度角附近，选择0度附近的出射 电子，有利于增加接收到的电子数
单能光源参数要求
光子能量范围：0.5 – 20 MeV 光子能量值误差： ≤ 1% 光子单色性： ≤ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1% 光源空间位置抖动：≤ 0.1 mm
光子数通量：1E6 – 1E7 photons/cm^2 (可多脉冲累积)
光子通量测量精度（不同能量下相对精度）： ≤ 1%
谢 谢!
电子在磁场中的偏转聚焦
不同能量电子的偏转轨迹
电子动量 p (MeV/c) 与焦平面上位置 x (cm) 关系
Gx 2 p 2 3.3356(1 sin A)
• •
• G 为磁场梯度，kGs/cm; • 系数 3.3356 表示磁刚度，kGs*cm； • A 为相对于焦平面的入射角。
•
•
材料对X射线的吸收衰减特性与光子能量密切相关
成像接收系统对不同能量光子的信号响应不同
X射线源能谱重要性：透射成像过程和接收图像信号的定量分析
主要内容
研究背景 基于康普顿散射的X射线能谱测量 对单能光源的需求
基于康普顿散射的X射线能谱测量
光子与轻质材料碰撞发生康普顿散射，通过测量反冲电子能谱获得光子能谱 • • • 光子与电子的能量对应（康普顿散射关系）； 光子与电子转换效率（散射截面）； 宽谱电子能量分析（电子在磁场中的空间色散）。
线性梯度磁场，电子动量正比于偏转至焦平面上位置的平方 磁铁结构设计紧凑，同时有利于提高对能量相对较低部分的分辨能力
主要内容
研究背景 基于康普顿散射的X射线能谱测量 对单能光源的需求
闪光照相对单能光源的需求
X射线能谱测量系统标定
• 0.5 ~ 20 MeV单能光源
图像接收系统的信号响应
密级：公开
闪光照相X射线源 能谱测量
中国工程物理研究院 流体物理研究所 2018年10月5日
主要内容
研究背景 基于康普顿散射的X射线能谱测量 对单能光源的需求
研究背景
闪光照相是武器物理研究中对内爆压缩状态进行诊断的一种极为重要 和有效的手段
• • • 利用高能X射线对武器模型进行辐射照相 透射形成的投影图像定量推断武器模型的流体动力学状态参数（密度分 布和几何结构），为武器物理建模和程序验证提供实验数据支撑 在武器设计与认证等研究中发挥着极其重要的作用
• 特征曲线（H&D曲线） • 光学接收系统对单能光子的余辉响应
• 接收模糊，单能光子点扩展函数
• 接收系统信号转换的量子效率
激光康普顿光源
E(electron) / GeV 1.1 2.5 E(γ), max / MeV Laser 527nm (2.36eV) 42 225 Laser 1064nm (1.17eV) 21.5 111