能量损失在高能质子照相密度重建中应用的理论和模拟研究

In proton radiography, the design of magnetic lenses is corresponding to special proton energy. Thus the image will be blurred by the energy loss of the protons. For the proton radiography with proton energy at several GeV, the relative energy loss is the main reason to debase the image quality. In this project, we proposed a new method which will use the energy loss in the density reconstruction for high energy proton radiography. Based on the Bethe-Bloch theory, the energy loss for proton passing the object with different materials will be studied, and the equation for the energy loss used to reconstruct will be given. In the frame of Geant4 toolkit, the program to simulate the energy loss in the proton radiography will be developed. The program can be used to calculate the energy loss responded to the material and the thickness, and analyze the space resolution and density resolution. The study of this project will provide a new method in the density reconstruction which can obtain more useful information from the proton radiography.

在质子照相实验中，磁透镜成像系统的设计是针对特定质子能量，而质子与客体相互作用产生的能量损失会导致图像的模糊。针对GeV能量的质子照相中，相对能损较大，影响图像品质的问题，本项目提出了利用质子的能量损失开展密度重建的研究。本项目从质子与物质相互作用的Bethe-Bloch理论出发，分析质子穿过多材料客体后的能量与客体材料和厚度的关系，建立能量损失成像的基本方程；利用对称消色散结构的磁透镜，设计能量损失成像的照相布局；基于Geant4平台，开发用户程序，开展能量损失成像的蒙特卡罗模拟研究，建立材料、厚度、密度与能量损失的响应关系，模拟分析能量损失成像的空间分辨能力；基于全变分的三维层析图像重建方法，开发密度重建程序，分析能量损失成像的密度识别能力。本项目的研究可以为GeV能量质子照相实验中，更全面有效的提取实验信息提供参考。

在目前的高能质子照相理论和实验研究中，是利用质子束流通量衰减和角度散射用来提取客体的信息，能量损失信息是造成图像模糊的主要来源之一，降低了图像质量，影响了质子照相的密度分辨和空间分辨能力。本项目开展了一种新型的成像原理研究。通过研究，项目组提出了一种质子能量在中高能时利用能量损失进行密度重建的新方法，给出了利用能量损失进行密度重建的方程及条件，为利用能量损失信息进行密度重建提供了理论依据；完成了基于Gean4程序的利用高能质子的能量损失信息成像的蒙特卡罗模拟程序—G4ELPrad程序的开发，解决了开展项目相关的模拟工作的软件需求；明确并优化了利用能量损失信息成像的磁透镜系统的设计方案，为项目的应用提供了工程基础；开展了对利用高能质子的能量损失信息进行密度重建的能力评估，模拟结果表明，利用能量损失信息成像能可以提高成像系统的空间分辨率，为本项目提出的这种新型的成像原理的推广提供了信心。本项目的工作可以为相关方向的实验应用提供理论基础和数值模拟依据。