[發明專利]一種適用于強背景噪聲下低能質子束的束流截面處理方法

在審

• 申請號: 202011484163.3
• 申請日: 2020-12-16
• 公開（公告）號: CN112698380A
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發明（設計）人: 張鴻;周博文;張鵬蛟;李文亮;侯瑞;李俊周;孫安
• 申請（專利權）人: 南京大學;南京質子源工程技術研究院有限公司;江蘇安德信超導加速器科技有限公司
• 主分類號: G01T1/29
• 分類號: G01T1/29
• 代理公司: 常州佰業騰飛專利代理事務所(普通合伙) 32231
• 代理人: 顧翰林

本發明公開了一種適用于強背景噪聲下低能質子束的束流截面處理方法，屬于粒子加速器技術領域，包括采用基于KNN的背景減除法，將CCD相機獲取到的原始數據進行背景減除法處理，得到束斑邊界；再次進行去除本底噪聲的處理，濾除噪點；對去噪聲數據進行數據擬合，數據擬合包括對束斑截面邊界、束斑截面強度分布和中心位置進行擬合；對擬合后數據進行束流截面計算，得到束斑中心位置和束斑的大小，解決了提高了粒子加速器中束流截面的計算精度，減少了背景噪聲導致的誤差的技術問題，本發明對束流的束流在x、y方向的強度分布進行計算，可以對束暈進行簡要測量，可以直觀的觀測束流的發散狀況，對聚束效果的判定起到輔助的作用。

技術領域

本發明屬于粒子加速器技術領域，涉及一種適用于強背景噪聲下低能質子束的束流截面處理方法。

背景技術

束流截面是反映束流品質的重要物理參數，是加速器和束流輸運線設計的重要參數，也是實現束流匹配傳輸、提高束流傳輸效率的基礎。束流截面過大會導致加速器在運行的過程中粒子撞擊束管而損壞。因此，對束流截面的測量在束測中起著重要的作用。

為研究帶電粒子束的運動規律，必須描述粒子束的截面大小，其中最簡單的辦法是對束流截面進行測量，隨后分析計算求的束流截面的大小、分布以及半高寬。一般來說，加速器束流的截面形狀是一個圓，其分布遵從高斯分布，束斑大小在聚焦磁鐵聚束后直徑會變小。

目前對于粒子加速器束流截面形狀計算的算法都是基于傳統的先對測量的數據進行背景噪聲減除，隨后投影到x、y方向后進行高斯擬合，根據求得的高斯分布求出半高寬。這種方法對于低能質子束，尤其是計算束斑尺寸大、流強較高的束流截面時，由于背景噪聲過大會遇到背景噪聲將束流截面邊界淹沒的情況，導致無法正常判定束流截面的邊界范圍。其次，對低能質子束的測量本身也存在誤差，其來源主要有：

1、機械誤差：測量過程中束流并非垂直照射在截面靶上，CCD相機的鏡頭存在焦距，這些會導致測量的圖片數據中截面靶的形狀和實際的形狀相比發生偏差，成為一個梯形，對后續的數據擬合造成誤差。

2、束流不穩定造成的誤差：離子源引出的束流本身也會因為電源等的自身的不穩定性而發生變化，直觀上的體現為束流流強的波動性變化。這會對測量造成偏差。

3、本底噪聲的誤差：本底噪聲的誤差主要來源于CCD相機自身的噪聲，這種噪聲一般為椒鹽噪聲和高斯噪聲，直觀表現為測量數據上的隨機出現的噪點。

4、計算機測量誤差：CCD相機的數據經過USB傳輸到電腦上，USB數據傳輸的過程中也存在噪聲以及信號丟失，直觀表現為數據中隨機出現的噪點。

5、數據處理誤差：數據處理過程中對本底的扣除、高斯擬合以及求解半高寬的過程中都會引入誤差。

因此，通過對數據處理算法在其理論方面進行深入的研究，改進適合于低能質子束的束流截面的測量算法，對提高束流測量效率具有重要的現實意義和很高實際應用價值。

發明內容

本發明的目的是提供一種適用于強背景噪聲下低能質子束的束流截面處理方法，解決了提高了粒子加速器中束流截面的計算精度，減少了背景噪聲導致的誤差的技術問題。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種適用于強背景噪聲下低能質子束的束流截面處理方法，包括如下步驟：

步驟1：采用基于KNN的背景減除法，將CCD相機獲取到的原始數據進行背景減除法處理，得到束斑邊界；

步驟2：對步驟1的結果再次進行去除本底噪聲的處理，濾除噪點，同時進行人工標注未濾除的噪點，得到去噪聲數據；

步驟3：對去噪聲數據進行數據擬合，數據擬合包括對束斑截面邊界、束斑截面強度分布和中心位置進行擬合；