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中子相衬 层析成像装置

阅读：963发布：2020-05-12

专利汇可以提供中子相衬层析成像装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种中子相衬层析成像装置，包括转动平台、闪烁体、铝镜、CCD相机、计算机和暗箱，所说的闪烁体、铝镜和CCD相机放在暗箱中，中子束入射到放置在转动平台上的样品上，中子被样品产生的衍射中子垂直入射，被闪烁体接收，转化为含有样品信息的可见光，被铝镜反射进入到CCD相机上，数字化后转入到计算机，其特征是：①在转动平台之前还设有互相垂直放置的、具有一定曲率的单晶铝和单晶铝构成的单色聚焦器；②所述转动平台的步进马达受到计算机的指令而转动，驱动转动平台旋转或上、下运动。本中子相衬层析成像装置兼备了相衬和层析的各自优点，能高分辨率地重构待测样品的三维空间位相分布。，下面是中子相衬层析成像装置专利的具体信息内容。

权利要求

1、一种中子相衬层析成像装置，包括转动平台(9)、闪烁体(4)、铝镜 (5)、CCD相机(6)、计算机(7)和暗箱(8)，所说的闪烁体(4)、铝镜(5) 和CCD相机(6)放在暗箱(8)中，中子束(1)入射到放置在转动平台(9) 上的样品(3)上，中子被样品(3)产生的衍射中子垂直入射，被闪烁体(4) 接收，转化为含有样品信息的可见光，被铝镜(5)反射进入到CCD相机(6) 上，数字化后转入到计算机(7)，其特征是：
①在转动平台(9)之前还设有互相垂直放置的、具有一定曲率的单晶铝 (10)和单晶铝(11)构成的单色聚焦器；
②所述转动平台(9)的步进马达受到计算机(7)的指令而转动，驱动转动平台(9)旋转或上、下运动。
2、根据权利要求1所述的中子相衬层析成像装置，其特征在于所述的CCD 相机被置于液氮中。
3、根据权利要求1所述的中子相衬层析成像装置，其特征在于所述单晶铝(10、11)的曲率半径选择范围一般在50～100米。
4、根据权利要求1所述的中子相衬层析成像装置，其特征在于所述铝镜 (5)是在2毫米玻璃基片上的铝膜上，镀有一层保护膜构成的。
5、根据权利要求1所述的中子相衬层析成像装置，其特征在于所述中子束(1)是从裂变反应堆中子源辐射，并经准直器出射的中子束，该准直器实际上是一具有矩形或圆形截面的钢盒或钢筒构成的，所述的准直器是长度L 和口径D之比为L/D≈100。

说明书全文

技术领域：

本发明涉及中子相衬成像技术，特别是一种中子相衬层析成像装置。

背景技术：

近年来，随着反应堆技术和加速器中子技术的不断发展，中子在许多领域中获得了极为广泛的应用，特别是中子层析成像技术和中子相衬技术，可以作为一种无损检验的有效工具，可用来研究物体的三维密度和位相结构。

1.中子相衬成像技术

或许是在X射线相衬成像技术的启迪下，美国和欧洲的一个联合小组，发展了一种同轴中子相衬成像方法，他们采用冷中子、相应的de Brogile、波长为 0.433nm，成功地观察到黄蜂的腿关节和翅膀的某些细节。

我们知道，无论是光波或者物质波，当通过物体时，要产生散射和吸收，在离样品适当距离将获得清晰的样品吸收衬度像，这是常规显微和层析的成像基础。

从X射线光学中我们已经知道：X射线的折射率nx＝1-δ，δ＝r0λ2Natf/2π，式中， λ为X射线波长，r0经典电子半径，Nat单位体积内原子数密度，f为原子散射因子。从中子光学可知，中子的折射率具有和X射线相同的形式，即 nn＝1-λn 2N(b±p)/2π，式中，N也是单位体积内的质子数，λ是中子波长，b是原子核散射系数，p是由于电子自旋引起的磁散射系数。从上面可以看出，折射率n 两种形式几乎一致，对于同样的波长，中子δ(λn 2N(b±p)/2π)比X射线的δ值小一个量级。尽管1-δ和1的差值只有10-6，但当使用非常小的λ值时，即使是不太大的厚度或密度的变化，也可能产生相当大的位相畸变。如果采用相干光或部分相干光通过物体时，除了吸收以外，还要产生位相变化，即发生波前的畸变。这种波面畸变导致部分波面的传播方向发生变化，使波面重叠而形成干涉，这样，位相变化转化成强度变化，这是相衬成像的物理基础，也是相衬层析的物理基础，更为重要的是，这种图像不经任何重构技术，可直接获得位相变化图像。

中子相衬的实验装置如图1所示。

从中子源1发出的中子束经针孔2以后，变成一个球面波入射到样品3上，在距样品31.8米处，放置一探测器4，就可获得样品3的位相衬度像(见在先技术：B.E.Allman，P.J，McMahon等，Nature，2000，Vol408，9Nov.)

上述方法的缺点是：不能给出样品中位相信息的三维分布。

2.中子层析成像

当中子束通过衰减系数μ、厚度为l的介质时，其衰减遵循比尔(Beer)定律

I＝I0exp(-μl)

当物体在投影方向衰减系数不均匀时，应有线积分： $I = I_{0} \exp [- \int_{- \infty}^{+ \infty} μ (l) dl]$

当介质不但在投影方向，而且，在投影的垂直方向也不均匀时，上式成为 $I_{φ} (x_{r}) = I_{0} \exp [- \int_{- \infty}^{+ \infty} μ (x_{r}, y_{r}) {dy}_{r}]$

对上式两边取对数，使方程线性化，得到新函数： $λ_{φ} = - \ln \frac{I_{φ} (x_{r})}{I_{0}} = \int μ (x_{r}, y_{r}) {dy}_{r}$

层析任务就是用所测得的λφ(xr)去得到μ(xr，yr)的分布。经过几代数学家的努力，发展了各种各样的方法。通常用以下两种方法进行图像复原：

Δ代数法：包括迭代法、回投影法

Δ解析法：包括拉冬法、傅里叶滤波法、卷积法、滤波回投影法等。

一个有趣的现象是，硬X射线的吸收系数随着原子序数的增加而不断增加，中子束却不能，除几个元素以外，如氢、锂、硼、镉以外，中子的吸收系数远远低于硬X射线。

对于大部分重金属，X射线穿透深度受到了限制，而中子确大有作为，从某种意义说，中子层析和X射线层析是相互补充的。特别要提出的是，氢元素对中子有较大的吸收。因此，中子层析对一些含氢有机材料的检测，如：润滑油、塑料、金属外壳内的密封圈等很灵敏，对某些复杂的、要求非常苛刻的、运用在汽车行业上和宇航工业的大型重金属元件，中子层析也非常有价值。

中子层析实验装置

实验装置示意图如图2所示，平行中子束1入射到样品3上，样品3置于转动平台9上，中子经样品吸收以后，用闪烁体4[Zns(Ag)-6ZiF]记录接收不同角度下的投影值。每入射一个中子，闪烁体4将转换为级联光子，然后经铝镜5反射到CCD相机6上，输入到计算机7上去，当计算机读到来自于CCD相机6上的信号以后，控制转动平台9转动一个角度，进行下一轮中子束曝光。为了避免散射光对CCD的影响，闪烁体4，铝镜5和CCD相机6都放置在暗箱8中。

在取得足够的投影数据以后，计算机将给出整个样品图像(参见在先技术： S.Koerner，B.Schillinger，et al.，“A neutron to mography facility at a low power researcu reactor”，Nuclear Instruments & Methods in Physics Research，2001，A471，69-74.)

这种层析的最大缺点是：

(1)不能给出样品中位相的三维空间分布；

(2)如果两个吸收系数相近的元素，这个方法难以分辨，例如对于生物组织的测试，对比度差，分辨率低。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于，克服上述现有技术的缺陷，提出一种中子相衬层析成像装置，能够将待测样品的位相信息转化成强度信息，特别是三维位相结构及其分布重构出来。本发明的技术解决方案如下：

一种中子相衬层析成像装置，包括转动平台、闪烁体、铝镜、CCD相机、计算机和暗箱，所说的闪烁体、铝镜和CCD相机放在暗箱中，中子束入射到放置在转动平台上的样品上，中子被样品产生的衍射中子垂直入射，被闪烁体接收，转化为含有样品信息的可见光，被铝镜反射进入到CCD相机上，数字化后转入到计算机，其特点是：

①在转动平台之前还设有互相垂直放置的、具有一定曲率的单晶铝和单晶铝构成的单色聚焦仪；

②所述转动平台的步进马达受到计算机的指令而转动，驱动转动平台旋转或上、下运动。

所述的CCD相机被置于液氮中。

所述单晶铝的曲率半径选择范围一般在50～100米。

所述铝镜是在2毫米玻璃基片上的铝膜上，镀有一层保护膜构成的。

所述中子束(1)是从裂变反应堆中子源辐射，并经准直器出射的中子束，该准直器实际上是一具有矩形或圆形截面的钢盒或钢筒构成的，所述的准直器是长度L和口径D之比为L/D≈100。

本发明的优点是：

(1)本中子相衬层析成像装置兼备了相衬和层析的各自优点，能高分辨率地重构待测样品的三维空间位相分布。

(2)能测试和分辨吸收系数非常相近的样品的空间结构，这一点是非常难能可贵的。这对于生物组织而言非常有利。

(3)不采用干涉术能测到样品的三维位相空间分布。

附图说明：

图1为在先技术中的中子相衬装置示意图

图2为在先技术中的中子层析装置原理图

图3为本发明中子相衬层析成像装置示意图

具体实施方式：

先请参阅图3。由图可见，本发明中子衍射层析成像装置由中子束1，单晶铝16、17，转动平台9，闪烁体4，铝镜5，CCD相机6，计算机7和暗箱8组成。

平行中子束1经一对单晶铝10、11形成的单色聚焦器单色化以后，入射到放置在转动平台9上的样品3上，中子被样品衍射以后，衍射信号被放在暗箱8 中的闪烁体4接收，并转化成含有样品信息的可见光，被铝镜5反射到CCD相机6上，数字化以后输入到计算机7，由计算机进行数字重构。

所说的中子束1是从裂变反应堆中子源辐射，并经准直器出射的中子。该裂变反应堆中子源是把铀和钚等裂变材料作燃料，以中子为媒介，维持可控链式裂变反应的装置，称为裂变反应堆，这种装置可获得高通量的中子辐射，可达1013～ 1020中子数/秒，可以长期运行，并由一个具有矩形或圆形截面的钢盒或钢筒准直，从准直器中出射的中子，其发散度等于孔径和长度的比值，显然只要缩小孔径和增加长度即可大大改善发散度，获得准平行中子束。

所说的单晶铝10和单晶铝11，互相垂直放置共同组成单色聚焦器，由于具有一定的曲率，其R＝100m，因此既具有色散作用，又有聚焦功能。平行入射中子束1和单晶铝10成掠入射角θ时，产生布喇格反射，当单晶铝11和单晶铝 10垂直放置时，它能将单晶铝10聚焦的一条线变成一个焦点，即用单晶铝11 校正单晶铝10的像散。单色中子束1进入到待测样品3中以后，只有特定的入射角θ才满足布喇格公式的衍射加强。因此，通过入射角θ的选择，可以选择样品中不同元素进行层析成像。

所说的转动平台9受一步进马达(图中未示)的驱动而旋转运动，待测样品 3放在该转动平台9上亦同时旋转运动。

所说的闪烁体4为ZnS(Ag)-LiF。由于中子在物质中不能直接引起原子的电离，没有电流输出，所以本发明中采用ZnS(Ag)-LiF。样品3中产生的衍射中子束，垂直入射到闪烁体4的屏上，每一个中子产生级联可见光子。

所说的铝镜5用于将闪烁体4产生的可见光反射到CCD相机6上，CCD相机 6为商业用CCD。

本发明装置的工作过程大致如下：

一准平行中子束1经单晶铝10、11聚焦和单色化以后，入射到放在转动平台9上的样品3上，出射的中子被闪烁体4接收，并转化成含有样品信息的可见光，经铝镜5反射到放在液氮中冷却的CCD相机6上，数字化后输入到计算机7 上。计算机7收到信号的同时，驱动步进马达，带动转动平台9自动进行下一次曝光，直到完成一个周期，即在一个断面上完成0～180°内的取样，之后将转动平台9带动样品3作向上或向下运动，进入另一个断面，重复上述测试，最后进行数字重构，获得样品3的三维位相分布图。

样品3出射的中子束，垂直入射到闪烁体4的屏上，闪烁体为ZnS(Ag)-6LiF。每一个中子产生级联可见光子，经铝镜5反射到CCD相机6上，铝镜5是选择厚为2mm的玻璃板作片基，在铝膜上镀有一层保护膜，选择铝镜的目的在于，不让中子束直接入射到CCD相机6的芯片上，以免芯片被损坏。为了减小CCD相机 6的暗电流，将其放入到液氮中进行冷却，这对于使用较低中子通量、长时间曝光的实验非常重要，闪烁体4，铝镜5和CCD相机6要放在暗盒8中，以免杂散的可见光影响测试数据。转动转动平台9，测得各样品的不同断面的位相以后，就可用计算机进行重构。

本发明中，中子相衬层析成像系统也可以用来进行中子相衬和中子层析成像研究，该系统在生物医学、材料结构、考古学、航天航空、宇宙化学和兵器工业等方面有着极为广泛的应用前景，这一新的技术、新的方法，为人们探索新的自然规律提供了一个强有力的工具。

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