技术领域
[0001] 本
发明涉及中子照相的技术领域，具体地说涉及一种高分辨率中子照相系统。
背景技术
[0002] 中子照相属射线
无损检测领域，中子照相是基于射线穿过物体时会发生衰减的基本原理。中子照相具有其他无损检测技术无可替代的特点和优点，
X射线检测衰减与材料
密度相关，而中子照相则与物质的作用截面相关，因而中子照相在轻材料的检测方面具有独特的优势。
[0003] 中子照相系统的构成主要有三部分：中子源-
准直器-像探测器系统。用作中子照相的中子源主要有三种：反应堆中子源、
加速器中子源、同位素中子源。反应堆中子源流强高，用于
热中子照相通常能获得很高的准直比，从而获得较高的分辨率，但造价高、运行
费用高、设备庞大和昂贵，只能依托大型的反应堆建造热中子照相系统，缺乏灵活性；同位素中子源体积小，操作简便，但中子产额特别低，难以获得
质量好的相片。加速器中子源可直接用于
快中子照相，中子靶点小不需要特殊的中子准直系统，是进行快中子照相首选的中子源，但对于加速器中子源来说，准直比与靶束斑直径是一对矛盾，靶束斑直径与中子源强也是一对矛盾，高分辨率中子照相通常要求高的中子强度，束斑尽量小增大准直比，而靶点越小则靶承受的热流密度较大，而高源强则会在靶上产生很大的束功率导致
散热压
力大，给加速器技术带来巨大挑战。因此，快中子照相技术的一个挑战是中子源强度难以提高。
[0004] 加速器型中子源提高中子强度的方式通常有两种，一是提高离子束
能量，二是增加离子束流强。提高离子束能量到几个MeV通常需要多级加速系统，例如RFQ加速，难以实现小型化，提高离子束流强，则增加了靶散
热压力，难以减小束斑。
[0005]
准直器的作用是提高中子束品质，理论上加速器中子源进行快中子照相不需要准直屏蔽，但从保护像探测器及其
电子学元件
角度，有必要进行准直，在获得合适的准直束同时，也会引起中子束能谱变化，同时增加γ射线污染。
[0006] 像探测器的中子转换效率是中子照相系统的另一项关键影响因素，存在探测效率与分辨率的矛盾，为了提高对快中子的探测效率，常采用较厚转换屏，而厚屏则会导致分辨率下降。
发明内容
[0007] 本发明所要解决的技术问题是提供一种具有较小的中子束斑截面的高分辨率中子照相系统。
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种高分辨率中子照相系统，包括中子源、准直器和像探测器系统，所述中子源包括离子源和靶，所述中子源产生的中子束呈线状，所述中子源产生线状中子束的实现方式为以下两种方式中的任意一种：
[0009] 第一种方式为，所述离子源的引出孔为狭缝或排列在一条线上的多个圆孔；
[0010] 第二种方式为，所述离子源的引出孔为单圆孔，所述靶呈V形；
[0011] 采用第一种方式时，所述准直器和所述像探测器系统布局在离子束流垂直方向，采用第二种方式时，所述准直器和所述像探测器系统布局在离子束流方向。
[0012] 进一步地，所述准直器包括内准直器和外准直器，所述内准直器置于所述中子源的内部，所述外准直器置于所述中子源的外部。
[0013] 进一步地，所述外准直器的准直孔的孔壁上设置有多个吸收孔。
[0014] 进一步地，所述准直器的准直孔呈内小外大的锥形，且所述准直器的准直孔的孔壁延长线交点
覆盖所述中子源的全部靶点。
[0015] 进一步地，所述离子源还包括
真空壳体以及设置在所述离子源和所述靶之间的第一
电极和加速电极，所述离子源、所述靶、所述第一电极和所述加速电极均屏蔽在所述真空壳体内，所述真空壳体接地，所述靶通过绝缘
支撑固定在所述真空壳体内，所述第一电极、和所述加速电极通过所述绝缘支撑从所述真空壳体外部接负高压。
[0016] 进一步地，所述离子源是ECR离子源或RF离子源，其引出束流是氘束流或氘氚混合束流。
[0017] 进一步地，所述中子源还包括设置在所述离子源和所述靶之间的束流加速传输系统，所述束流加速传输系统采用单间隙静电加速或多间隙分段静电重复加速方式，所述束流加速传输系统包括第一电极和加速电极。
[0018] 进一步地，所述靶上设有毛细血管细通道，所述靶采用射流冲击散热和毛细血管细通道散热结合的冷却方式，所述毛细血管细通道的截面呈方形或圆形，所述毛细血管细通道的直径为0.5～1mm。
[0019] 进一步地，所述像探测器系统由中子转换屏、光传输介质和成像系统组成，所述成像系统是
硅光电倍增管阵列。
[0020] 进一步地，所述中子转换屏是对快中子灵敏的塑料
闪烁体，塑料闪烁体是内含氢
原子、
碳原子的塑料闪烁体，或是内含氢原子、碳原子和氘原子的含氘塑料闪烁体。
[0021] 本发明的有益效果体现在：
[0022] 本发明使用的中子源为加速器中子源，体积小，容易移动，但是这种加速器中子源强度高的时候存在束斑大小(准直比)与功率密度存在矛盾的问题，为解决这一问题，本发明设计中子源产生线状中子束，并具体设计了两种实现方式，可获得较小的中子束斑截面，本发明可用于航天、核能系统现场中子照相。
附图说明
[0023] 图1是本发明一
实施例的结构示意图(第一种方式)。
[0024] 图2是本发明一实施例的结构示意图(第二种方式)。
[0025] 图3是本发明一实施例中准直器的结构示意图。
[0026] 图4是本发明一实施例中像探测器系统的结构示意图。
[0027] 图5是本发明一实施例中V形靶的结构示意图。
[0028] 附图中各部件的标记为：1中子源、2准直器、21吸收孔、3像探测器系统、31中子转换屏、32光传输介质、33成像系统、4离子源、5第一电极、6加速电极、7靶、71毛细血管细通道、8绝缘支撑、9内准直器、10外准直器、11真空壳体。
具体实施方式
[0029] 下面将参考附图来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本
申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0030] 参见图1至图5。
[0031] 本发明高分辨率中子照相系统，包括中子源1、准直器2和像探测器系统3，所述中子源1包括离子源4和靶7，所述中子源1产生的中子束呈线状，所述中子源产生线状中子束的实现方式为以下两种方式中的任意一种：
[0032] 第一种方式为，所述离子源4的引出孔为狭缝或排列在一条线上的多个圆孔；
[0033] 第二种方式为，所述离子源4的引出孔为单圆孔，所述靶7呈V形；
[0034] 采用第一种方式时，所述准直器2和所述像探测器系统3布局在离子束流垂直方向，采用第二种方式时，所述准直器2和所述像探测器系统3布局在离子束流方向。
[0035] 本发明使用的中子源为加速器中子源，体积小，容易移动，但是这种加速器中子源强度高的时候存在束斑大小(准直比)与功率密度存在矛盾的问题，为解决这一问题，本发明设计中子源产生线状中子束，并具体设计了两种实现方式，可获得较小的中子束斑截面。
[0036] 对应于狭缝或排列在一条线上的多个圆孔的引出方式，可在靶上形成小截面线状束斑，因此聚焦后的离子束在靶上发散的形状仍然为一个线状源，其离子束强度是单孔引出强度的倍数，在靶上形成线状离子束斑可以增大受热面积，避免了束斑集中在一点上产生高密度热流，能增大引出束流的同时减少靶的散热压力。采用这种方式，探测成像系统设置在靶侧面，观察到的线中子源为一个点。
[0037] 对应于单圆孔的引出方式，在靶上形成圆斑，采用V形靶的方式，束流在V靶面上
接触面积大，从而热功率密度小减少靶的散热压力，探测成像系统设置在V形靶后侧，观察到的靶点为一个圆斑。
[0038] 在一实施例中，所述准直器2包括内准直器9和外准直器10，所述内准直器9置于所述中子源1的内部，所述外准直器10置于所述中子源1的外部。准直器用于将中子源出射中子束进行准直，获得高品质中子束，准直器采用内准直器和外准直器两部分组成的方式，可提高准直比。
[0039] 优选地，所述准直器2的内层采用高序数金属材料用以反射中子，外一层采用热中子吸收截面较大的材料用以减少出射中子中的热中子份额，获得较硬的中子能谱，最外层采用高序数吸收活化产生的γ。
[0040] 优选地，所述外准直器10的准直孔的孔壁上设置有多个吸收孔21，使得γ在吸收孔内经多次散射被吸收，外准直器上的多个吸收孔可有效减小γ，提高中子束品质，减少背景散射提高
信噪比，经准直后的中子束照射在样品上，透射中子和中子转换屏相互作用，形成
反冲质子在中子屏内激发
荧光，经光学系统耦合到成像系统上，输出图像
信号。
[0041] 在一实施例中，所述准直器2的准直孔呈内小外大的锥形，且所述准直器2的准直孔的孔壁延长线交点覆盖所述中子源1的全部靶点。这样设计的优点是靶点在探测成像系统的
视野内，提高中子源的准直效率，进而提高中子束的品质。
[0042] 在一实施例中，所述离子源4还包括真空壳体以及设置在所述离子源4和所述靶7之间的第一电极5和加速电极6，所述离子源4、所述靶7、所述第一电极5和所述加速电极6均屏蔽在所述真空壳体内，所述真空壳体接地，所述靶7通过绝缘支撑8固定在所述真空壳体内，所述第一电极5和所述加速电极6通过所述绝缘支撑8从所述真空壳体外部接接负高压。将中子源设计成高压屏蔽型，这种设计将中子源所有高压部件屏蔽在真空腔室内部，不需要在中子源外部设置大型的绝缘部件和较远的绝缘距离，同时加速方式采用静电加速方式，使用全固态加速场产生
电路实现，可以采用新型的小体积高压电源芯片实现，进一步减小中子源外围部件体积，使得中子源结构紧凑可移动。
[0043] 具体实施中，中子源采用引出加速一体化设计，无需隔离
变压器，使得整体结构更紧凑；中子源的离子源为多会切类型，可以多束引出从而产生高流强离子束，能在更远的距离形成较长的线状离子束，轰击靶片产生中子。
[0044] 具体实施中，离子源采用内绝缘负高压四电极引出技术，提高了引出系统的聚焦能力，降低了束流发射度，解决强流束引出问题。静电加速方式用全固态加速场产生电路实现，该方式与传统加速方式相比，具有高的加速效率，大的加速
电流和较低故障率的优点，有利于加速高压电源的小型化，进一步实现中子源系统的紧凑设计。
[0045] 靶7端利用加速电极6作为屏蔽过滤罩抑制二次电子提高束流。加速电极和靶电极的冷却工质为去离子
水，绝缘支撑8采用放气率小、耐压高的材料。
[0046] 在一实施例中，所述离子源4是ECR离子源或RF离子源，其引出束流是氘束流或氘氚混合束流。这样设计的优点是，用ECR离子源或RF离子源可以引出大束流，采用氘束流或氘氚混合束打靶产生的DD和DT核反应可以在低能量、大束流情况时实现高产额。低能离子束可以采用引出加速一体化设计实现，而不需要专用的加速管或功率馈入电源，因而使得中子源结构更紧凑。
[0047] 在一实施例中，所述中子源1还包括设置在所述离子源4和所述靶7之间的束流加速传输系统，所述束流加速传输系统采用单间隙静电加速或多间隙分段静电重复加速方式，所述束流加速传输系统包括第一电极5和加速电极6。这样做的优点是离子束可以采用四电极引出技术，提高了引出系统的聚焦能力，降低了束流发射度，解决强流束引出问题，静电加速方式用全固态加速场产生电路实现，该方式与传统加速方式相比，具有高的加速效率，大的加速电流和较低故障率的优点，有利于加速高压电源的小型化，进一步实现中子源系统的紧凑设计。
[0048] 在一实施例中，所述靶7上设有毛细血管细通道71，所述靶7采用射流冲击散热和毛细血管细通道散热结合的冷却方式，所述毛细血管细通道71的截面呈方形或圆形，所述毛细血管细通道71的直径为0.5～1mm。这样设计的优点是增大了换热面积，降低了靶面的热流密度，实现靶的有效散热。
[0049] 优选地，所述靶7采用平面形、或斜面形、或V形、或锥形，可增大束流在靶上产生截面，减小散热压力。靶冷却结构采用射流和毛细血管细通道高效散热技术。
[0050] 在一实施例中，所述像探测器系统3由中子转换屏31、光传输介质32和成像系统33组成，所述成像系统33是硅光电倍增管阵列。这样做的优点是具有很好的快中子甄别能力和很高的
光子灵敏度，能够为成像记录系统提供足够多的
光信号，减小统计误差，更好地提取出中子照相
缺陷特征，提高成像图像质量。
[0051] 在一实施例中，所述中子转换屏31是对快中子灵敏的塑料闪烁体，塑料闪烁体是内含氢原子、碳原子的塑料闪烁体，或是内含氢原子、碳原子和氘原子的含氘塑料闪烁体。这样设计的优点是有利于本底甄别，有效探测快中子。
[0052] 本发明对中子源1反应类型不做限定，可选地，中子源1为DD中子源或DT中子源。
[0053] 本发明中子源1的离子源4采用ECR或RF离子源，离子束是D束或D、T混合束，中子源采用ECR离子源或RF离子源引出离子束，引出孔径小于6mm，引出束斑直径小于6mm，离子加速采用四电极加减速系统，直接轰击靶产生中子，离子源
电压为60-160kV，束流大于30mA，能够产生高于1012n/s中子产额，加速电极6加速能量在60-160kV，靶7采用Ti靶、Mo靶形成自成靶，或DTi靶、TTi靶。
[0054] 本发明对中子源的离子源是单孔引出或狭缝引出或排列在一条线上的多孔引出，当用单孔引出时，用后端引出的中子束照相，准直器2和像探测器系统3位于中子源1的靶7后端，当用狭缝引出或多孔引出时，用侧向引出的中子束照相，准直器2和像探测器系统3位于中子源1的靶7侧面，具体实施中，多孔引出中每个引出孔径为2mm，加速距离15cm，靶点长度在3-50cm，束斑截面直径在2-10mm。
[0055] 中子源1的加速系统单间隙静电加速或多间隙分段静电重复加速方式，当采用单间隙静电加速方式时，采用四电极加减速结构，共一个加速间隙，加速电压为-155kV，减速电压为-150kV，离子源引出和加速系统的高压部件均密封在真空腔室内，离子源加减速所需的高压通过绝缘线缆从真空腔室外部的高压电源连接到引入到内部高压部件上。
[0056] 准直器2采用发散型，入口孔径在1-5cm，长度在30-200cm，是由
铁、钨、含
硼聚乙烯和铅组成的复合准直器。准直器由内外准直器组成，内准直器置于中子源真空腔室内部，内准直器入口距离靶点1-3cm，入口直径1cm，外准直器置于中子源真空腔室外面，长度为1m，出口直径20cm，准直比可达到100。准直器内部设置有多个吸收孔，每个吸收孔为直径2-4cm半球。
[0057] 像探测器系统3采用塑料闪烁屏、光导系统和硅光电倍增管阵列，闪烁屏与样品透射中子发生反冲作用产生反冲质子，反冲质子沉积能量产生电离对激发荧光物质发出光子，经光导系统收集导入在硅光电倍增管阵列上。
[0058] 塑料闪烁屏采用的是圣戈班公司生产的BC400，其主峰
波长位于423nm处，与所选用的硅光电倍增管阵列峰值波长相匹配。本实施案例中采用的闪烁体尺寸为100mm×100mm×10mm。
[0059] 硅光电倍增管阵列采用的是滨松公司生产的S13361型号，光敏面积为3mm×3mm，每个阵列共8×8个通道，能收集到64个信号，峰值波长在450nm左右，其它参数：增益可达1.7×106，暗计数1200kHz，
暗电流618nA，工作电压<30V，300ps超快上升时间，最窄600ps脉冲宽度，对于需要快速时间分辨的情况能够提供最优的时间响应。为了与闪烁屏相匹配，共采用30×30个硅光电倍增管阵列，单个通道可识别尺寸为0.375mm。
[0060] 闪烁体与硅光电倍增管采用光导连接，硅光电倍增管从闪烁体端面通过光导连接，密封避光。硅光电倍增管
输出信号经过前置
放大器，将硅光电倍增管输出的微弱电流信号转换为具有一定强度的电压信号，实现对光生电流的宽带低噪声放大，通过甄别整形电路将输出
模拟信号转换为数字脉冲信号，再经过计数器计算脉冲输出到PC机上进行处理。
[0061] 中子源1、准直器2和像探测器系统3可采用模
块化设计，能够集成一体化和拆卸更换，整体置于交通工具上移动到检测现场。整个中子照相系统各部件采用模块化设计，可集成一体化，也可拆卸更换。可放置在
汽车、
卡车、轮船等交通工具上。
[0062] 本发明的有益效果为：
[0063] 1本发明针对现场检测对中子照相装置紧凑型的要求，将中子源设计成高压屏蔽型，这种设计将中子源所有高压部件屏蔽在真空腔室内部，不需要在中子源外部设置大型的绝缘部件和较远的绝缘距离，同时加速方式采用静电加速方式，使用全固态加速场产生电路实现，可以采用新型的小体积高压电源芯片实现，进一步减小中子源外围部件体积，使得中子源结构紧凑可移动。
[0064] 2离子源采用狭缝引处或多圆孔引出，可以使离子束流在靶上形成线状束斑，避免了束斑集中在一点上产生高密度热流，能增大引出束流的同时减少靶的散热压力。
[0065] 3照相系统布置在离子束流垂直的方向，采用侧向引出的中子束照相，获取线状中子源的小截面，可同时获得高源强和小靶点，提高中子照相分辨率。
[0066] 4成像系统采用高效率中子转换屏和硅光电倍增管阵列，具有很好的快中子甄别能力和很高的光子灵敏度，能够为成像记录系统提供足够多的光信号，减小统计误差，更好地提取出中子照相缺陷特征，提高成像图像质量。
[0067] 5整个中子照相系统各部件采用模块化设计，能够集成一体化和拆卸更换，整体置于交通工具上移动到检测现场。
[0068] 本发明的高分辨率中子照相系统具有中子源紧凑，可移动，离子束流强高，中子源强度高，靶束斑截面小，照相分辨率高的特点，解决加速器型中子照相装置体积庞大难以移动到现场进行中子照相检测，强流与靶束斑矛盾难以获得高分辨率的问题。
[0069] 应当理解本文所述的例子和实施方式仅为了说明，并不用于限制本发明，本领域技术人员可根据它做出各种
修改或变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
