基于放大成像技术的能量选择性γ射线成像系统检测效率目标优化研究

针对惯性约束聚变(ICF)诊断中4.44 MeV γ射线成像检测效率低的难题，研究人员通过优化转换靶与电子收集角实现目标检测效率提升，结合放大成像技术降低高阶像差。蒙特卡洛模拟显示，该系统对4.44 MeV γ射线的检测效率达9.4×10-4，能量分辨率0.54 MeV，空间分辨率达x方向1 mm/y方向2.5 mm，为ICF实验提供了新型诊断工具。

　　

在惯性约束聚变(ICF)研究领域，4.44 MeV γ射线的能量选择性成像对评估烧蚀层体积和对称性至关重要。然而现有系统检测效率仅2.5×10^?6 e/γ，远低于ICF诊断要求的7.1×10^?4。更棘手的是，γ射线与转换靶作用产生的电子束具有宽能谱和大发散角特性，传统磁透镜成像系统难以兼顾效率与分辨率。这一瓶颈严重制约了ICF实验中关键物理参数的获取。

中国青年英才计划支持的研究团队提出创新解决方案：通过目标导向优化设计，将转换靶厚度增至150 mg/cm²铍靶，并采用3D磁场调控电子轨迹。研究首次将放大成像技术引入γ射线成像系统，通过Geant4蒙特卡洛模拟验证，该系统对4.44 MeV γ射线的检测效率提升至9.4×10^-4，能量分辨率达0.54 MeV。在60×60 mm²视场内，空间分辨率实现x方向1 mm/y方向2.5 mm的突破性进展。该成果发表于《Radiation Measurements》，为ICF诊断提供了兼具高灵敏度与空间分辨的新型工具。

关键技术方法包括：1) Geant4模拟γ射线与转换靶的相互作用；2) 优化铍靶厚度与电子收集角匹配；3) 磁透镜系统结合放大成像技术；4) 3D磁场调控电子轨迹；5) 蒙特卡洛全系统性能评估。

结果

• 检测效率：系统检测效率达9.4×10^-4，满足ICF诊断最低要求。模拟显示，当ICF中子产额10¹⁶时，可捕获至少1个电子/像素。
• 能量分辨率：对4.44 MeV γ射线实现0.54 MeV能量分辨率，优于传统GEMS方法。
• 空间分辨率：放大成像技术将高阶传输矩阵系数降低50%，x/y方向分辨率分别达1 mm和2.5 mm。

讨论与结论
该研究通过目标优化设计解决了γ射线成像中效率与分辨率的矛盾。Baojun Duan团队指出，150 mg/cm²铍靶可平衡电子产额与能散，而3°收集角能兼顾像差控制与效率提升。放大成像技术的引入使系统在保持高检测效率同时，空间分辨率较Zhang等此前研究提升2倍。该成果不仅适用于4.44 MeV γ射线，通过调整磁透镜参数还可拓展至16.75 MeV DT聚变γ射线成像，为ICF燃烧阶段诊断开辟新途径。研究证实目标优化方法可有效指导高能射线成像系统设计，推动ICF诊断技术向多参数、高精度方向发展。