束团横向相空间重建方法及算法研究

• 作 者: 吴丽
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 束团相空间 重建算法 物理方法 束斑数据 R-L滤波函数

基于自由电子激光部门直线组对直线加速器中束流精确测量的要求,本文围绕如何测量束团相空间的精细分布问题开展研究工作,对其中的若干个关键技术进行了较深入的研究和探索。具体内容包括:相空间重构的物理方法研究,有限实验数据条件下的重建算法设计以及实验方案的优化设计与实现。　　
相空间重构的物理方法是基于线性传输理论和Liouville定理,将传输矩阵分解成两种不同系列的基本仿射变换叠加,在物理意义上分别对应于求解束团的归一化相空间和真实相空间;重建算法包括目前医疗仪器普遍采用的FBP(Filtered-BackProjection)算法和目前国际最优水平的MENT(MaximumEntropy)技术;实验方案的选择是基于以上这重建方法和算法的各自特点,并分别用于SDUV-FEL和SXFEL自由电子激光装置,实现相空间以及发射度测量。　　
根据重建过程的不同,两种重建方法可以形象地称为直接重建法和间接重建法,目的都是得到束团相空问的真实分布。直接重建方法(即传统的标准重建方法)是采用医用图像重建的原理,在旋转基础上增加了拉伸和剪切;间接重建方法在此原理基础上先重构出束团的归一化发射度,在通过坐标变换的方法得到真实相空间分布;这两种方法分别在不同的实验条件下适用,本文中采用Gauss分布束团对这两种方法进行了对比研究。　　
针对Elegant采集到的束斑数据,重建中FBP算法适合采用R-L滤波函数,需要较多的投影数据,结合四级铁扫描法,可用于正在运行的SDUV-FEL装置;而MENT算法中通过坐标旋转实现每个像素点对投影贡献的切割,分别采用有一定误差的插值法和精确的面积分割比例计算方法,该算法可以满足SXFEL中设计的FODO结构采集4个投影角度实现图像重建;重建结果显示,在投影角度足够多的条件下,选用FBP算法精度高,重建速度快,反之,MENT技术可用于投影角度少的情况,这一优点同时克服了自身迭代速度慢的缺点。　　
结合以上的重建方法和算法各自的优缺点,针对SDUV-FEL和SXFEL两种实验装置,设计了可行的实验方案;用聚焦铁扫描x方向,散焦铁扫描γ方向;用问接重建的方法大大改善后者角度空档;SXFEL采用第两个连续的FODO结构和MENT算法。　　
以上研究结果表明:我们设计的基于CT算法的束团相空间测量,实现了比传统的发射度测量更精确的真实棚空间精细结构测量;根据不同的实验条件设计可行的实验方案并选择合理的重建方法和算法,是实现高精度测量的关键。