（凝聚态物理专业论文）热中子层析照相技术研究.pdf

四川大学硕士学位论文 热中子层析照相技术研究 凝聚态物理专业 研究生张松宝指导教师卢铁城 中子照相技术是一项重要的无损检测( n d t 或n d i ) 技术，在军事、航空 航天、工业、地质、生物、考古等等方面有着不可替代的作用。中子层析照相 技术是较为先进的中子照相技术，利用先进的数字技术将物体内部结构完整展 现出来。本文的目的是研究中子层析照相技术的投影数据采集、投影数字图像 的预处理，以及数字图像重建技术，为搭建一个照相形式多样、技术先进的中 子照相技术研究、实验、服务平台提供技术支撑。 获取高质量的数字投影图像是中子层析照相成功的基本保障，这就需要去 除或减少白点噪声。本文利用实验、理论、模拟和对比等方法研究了c c d ( c h a r g e c o u p l e d d e v i c e ) 的屏蔽方案，解决了c c d 在辐射场中的屏蔽问题，减少了因辐 照损伤引起的白点噪声。本文开展了中子照相的m c n p 数值模拟研究，作为分 析影响数字投影图像质量因素的新工具。本文介绍了热中子照相的m c n p 数值 模拟方法，模拟了3 0 0 4 堆m a x w e l l 谱热中子束穿透样品射到转换屏的过程，通 过模拟得到了清晰的图像，对比数值模拟与该样品在3 0 0 4 堆中子照相装置上实 验的结果，数值模拟结果图像与实验结果图像非常相似。借助数值模拟方法分 析了散射中子对中子照相结果的影响，实验和模拟结果显示散射中子对结果图 像的影响符合同样的规律，随着样品与转换屏之间的距离的增大，散射中子对 结果图像的影响越来越小，当样品与转换屏之间的距离为样品尺寸的两倍时可 以忽略散射中子的影响。给出了热中子对铝、铅、铁、铜的穿透能力。分析了 引起模拟与实验结果不同的原因，得出结论该数值模拟方法可信可行，可以用 作中子照相技术研究的工具。 在图像重建前，需要对投影图像进行预处理，以消除系统噪声、本底噪声、 疵点噪声、堆功率波动噪声等，构成重建图像所需的数据结构。本文对投影图 像进行了噪声分析，结合在3 0 0 。反应堆在线中子照相装置上的实验，对数字投 四川大学硕士学位论文 影图像迸行了中值滤波、归一化处理等分析研究。结果表明这些图像处理分析 方法可以有效地降低噪声，改善图像质量，对提高重建图像质量有较大帮助。 本文介绍了中子层析照相的原理、国外中子层析照相的发展现状，阐述了 层析重建的原理、方法，结合中子照相的特点对重建前的图像预处理进行了研 究。介绍了国内首次中子层析照相实验，该实验在3 0 0 。反应堆在线中子照相装 置上进行，采样带孔铝圆柱作为样品，得到了首张中子层析重建图像。尽管投 影的视角较少，实验装置简单，操作误差较大，铝对中子的反差灵敏度较低， 重建结果图像质量仍比预想的要好。结果表明所采用的中子层析照相技术方案 是合理、可行的。为将要建立的中子层析照相装置提供了较好的技术储备和支 撑。 关键词：中子照相中子层析数值模拟图像处理图像重建 _ 2 一 四川大学硕士学位论文 t h e r m a ln e u t r o nt o m o g r a p h yt e c h n i q u es t u d y m a j o r ：c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s g r a d u a t es t u d e n t ：z h a n gs o n g b a os u p e r v i s o r ：ht i e e h e n g n e u t r o n r a d i o g r a p h y i sa l l i m p o r t a n tn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ( i n s p e c o t e c h n i q u e i t sa p p l i c a t i o n u s e di n m i l i t a r y a f f a i r s ，a v i a t i o n ，s p a c e f l i g h t ，i n d u s t r y , g e o l o g y , b i o l o g y , a r c h a e o l o g ya n ds oo nc a nn o tb es u b s t i t u t e db y o t h e r t e c h n i q u e s n e u t r o nt o m o g r a p h y i sa na d v a n c e df o r mo fn e u t r o n r a d i o g r a p h y u s i n ga d v a n c e dd i g i t a lt e c h n i q u ei tc a l ls h o wf u l li n n e rs t r u c t u r eo ft h e o b j e c t s t h i sp a p e ra i m st os t u d yt h ea c q u i s i t i o no fp r o j e c t i o ni m a g e s ，r a d i o g r a p h p r e p r o c e s s i n ga n dt o m o g r a p h i cr e c o n s t r u c t i o n a l l t h e s es e r v ef o rt h es e t i n g 叩 d i f f e r e n tf o r m sa d v a n c e dn e u t r o nr a d i o g r a p h ys t u d y , e x p e r i m e n t ，s 口 v ep l a t f o r mi n o u ra c a d e m y t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er a d i o g r a p h i ci m a g e s ，u s e da sp r o j e c t i o n sf o rt h e t o m o g r a p h i cr e c o n s t r u c t i o n ，s e t t h ef u n d a m e n t a ll i m i t so nt h ea c c u r a c yo ft h e r e c o n s t r u c t i o n t h i s p a p e ri n v e s t i g a t e s t h e s h i e l d i n g s c h e m eo fc c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ) t h r o u g he x p e r i m e n t ，t h e o r ya n a l y s e ，s i l u l a t i o na n dc o m p a r e t h e s h i e l d i n gs c h e m er e d u c e st h ew h i t ed o tn o i s er e s u l t e df r o mr a d i a t i o nd a m a g e t h i s p a p e rd e v e l o p sm c n pn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fn e u t r o nr a d i o g r a p h y , a sat o o lo f n e u t r o n r a d i o g r a p h yt e c h n i q u ei n v e s t i g a t i o n t h i sp a p e r i n t r o d u c e sm c n p s i m u l a t i o nm e t h o do fn e u t r o nr a d i o g r a p h y t h ep r o c e s st h a tm a x w e l lt h e r m o l n e u t r o np e n e t r a t e st h es a m p l e si ss i m u l a t e d ，a n dc l e a ri m a g e sa r eg o n e n t h er e s u l t s c o m p a r eo f s i m u l a f i o na n da c t u a ln e u t r o nr a d i o g r a p h yi sa l s og i v e ni nt h i sp a p e r t h e s i m u l a t i o ni m a g e si sv e r ys i m i l a rt oe x p e r i m e n tr e s u l ti m a g e s t h ea n a l y s eo fe f f e c t o fs c a t t e r e dn e u t r o n si si n c l u d e di nt h ep a p e r a st h ed i s t a n c eb e t w e e no b j e c t sa n d s c i n t i l l a t i o ns c r e e ni n c r e a s e ，t h es c a t t e r e dc o m p o n e n td e c r e a s e f o rad i s t a n c eo f d o u b l eo b j e c ts i z e ，t h ei n f l u e n c eo fs c a t t e r e dn e u t r o n st ot h ei m a g ec a l lb e i g n o r e d t h ea b i l i t y t h a tt h e r m o ln e u t r o n s p e n e t r a t e sa i ，p b ，f ea n dc ui s 一 一 四川大学硕士学位论文 d i s c u s s e d 1 】h er e ：f l s o nr e s u l ti nd i f f e r e n c eb e t w e e ns i m u t a t i o na n de x p e r i m e n ti s s t u d i e d ac o n c l u s i o nc a l lb ed r a w nt h a tt h em c n ps i m u l a t i o nm e t h o do fn e u r o n r a d i o g r a p h yi s c r e d i b l ea n dc a l lb eu s e dt o s u p e r v i s e n e u t r o n r a d i o g r a p h y i n v e s t i g a t i o n b e f o r e t o m o g r a p h i cr e c o n s t r u c t i o n ，p r e p r o c e s s i n go fp r o j e c t i o ni m a g e s t o c o r r e c ts y s t e m a t i cn o i s e ，b a c k g r o u n dn o i s e ，w h i t ed o tn o i s ee l f o r ss h o u l db e d o n e t h i s p a p e ra n a l y z e s t h en o i s eo f p r o j e c t i o ni m a g e s c o m b i n i n gt h e e x p e r i m e n t s c a r r i e d o u to nr e a lt i m en e u t r o n r a d i o g r a p h yf a c i l i t y a t s p r r 一3 0 0 ，m e d i - v a l u e f i l t e r , n o r m a l i z a t i o n p r o c e s s i n g a r es t u d i e di nt h i s p a p e r r e s u l t ss h o wt h a tt h e s ei m a g ep r o c e s s i n gc a l ld e c r e a s en o i s e ，i m p r o v et h e i m a g e sq u a l i t y t h e s ep r e p r o c e s s i n g i sv e r yu s e f u lt ot o m o g r a p h i cr e c o n s t r u c t i o n 。 t h e p r i n c i p l e a n ds t a t u so fn e u t r o nt o m o g r a p h ya r ei n t r o d u c e di nt h e p a p e r r e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m sa n dp r e p r o c e s s i n go fr a d i o g r a p h sa r ee x p a t i a t e di n t h ep a p e n t h ef i r s tn e u t r o nt o m o g r a p h ye x p e r i m e n ti si n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h e e x p e r i m e n t a r e c a r r i e do u to nr e a lt i m en e u t r o n r a d i o g r a p h yf a c i l i t y a t s p r r - 3 0 0 t h es a m p l ei saa l u m i n u mc o h l 砌w i t hh o l e so ni t t h ef i r s tn e u t r o n t o m o g r a p h yr e c o n s t r u c t i o ni m a g ei sg o r e n a l t h o u g ht h ev i e wa n g l e si sl e s s , t h e e x p e r i m e n tf a c i l i t y i s s i m p l e ，o p e r a t i o ni sn o ts op r e c i s e ，a n da l u m i n u mi sn o t s e n s i t i v et on e u t r o n ，t h er e c o n s t r u c t i o ni m a g ei sb e t t e rt h a ne x p e c t e d t h i si n d i c a t e s t h a tt h et e c h n i q u es c h e m ea d o p t e dh e r ei sr e a s o n a b l ea n df e a s i b l e i tc a l lb ea r e f e r e n c ef o rt h en e u t r o nt o m o g r a p h yf a c i l i l yt ob eb u i l t k e yw o r d s ：n e u t r o nr a d i o g r a p h y , n e u t r o n t o m o g r a p h y , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g ，i m a g er e c o n s t r u c t i o n 四川大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的 研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导 下取得的，论文成果归四川大学所有，特此声明。 学位论文作者签名：导师签名 签字日期：年月 日签字日期： 卢州 釉广年r 月 日 四川大学硕士学位论文 1 引言 1 1 中子照相技术发展概况 中子照相技术是一项重要的射线无损检测( n i ) t 或n d i ) 技术。1 9 3 2 年 c h a d w i c k 发现了中子，中子在辐射成像技术方面的应用并不像x 射线那样， 一经发现就立即被应用，而是间隔了几年，直到1 9 3 5 年，德国的k a l l m a n 和 k u t m 才第一次利用小型加速器中子源研究中子照相技术，这种源相当2 3 克 r a - - b e 源 1 】。1 9 5 5 年英国的j t h e w l i s 利用反应堆成功地进行了中子照相实验。 6 0 年代中期由于放射性物质无损检测的需要，中子照相技术得以迅速发展。我 国的中子照相可以追溯到6 0 年代初，中国原子能科学院朱家等人在研究性重水 反应堆上由中子通过有关材料的强度交化，完成了我国第一颗原子弹引瀑用中 子源的最终质量检测。1 9 7 8 年袁海荣教授在中子源及其应用中对中子照相 及其应用做了详细描述【2 】。8 0 年代初，清华大学核能研究院等单位曾在反应堆 上开展过热中子照相的研究工作，是我国首批建成的能投入正式运行的堆热中 子照相系统，若干年来为航空国防等部门完成许多热中子照相任务。东北师范大 学自1 9 8 5 年起开始进行小型中子照相装置的实验和研究【3 】。近几年北京大学、 中国科技大学、北航、清华、2 1 所等单位也在开展中子照相技术研究。 中子照相技术研究在国外一直很受重视，也取得了很多发展，欧洲1 l 国组 成了中子照相合作组织c o s t 5 2 4 ，实现了组织内部的信息和装置的共享，1 9 9 8 年组建了中子层析( c t ) 照相与计算工作组，推动了中子照相技术发展w 】。 美国l o sa l a m o s 国家实验室利用中子层析照相装置进行了库存武器可靠性研 究。美国航空航天局( n a s a ) 和全美许多研究机构和大学都建有中子c t 照相装 置，将其用于火工品、重金属组件、复合材料等的无损检验和产品的质量控制。 公开发表的资料指明，全日本共有1 2 个中子照相中心，其中大多拥有先进的中 子c t 装置，京都大学、名古屋大学和日本原子能研究所等单位是日本重要的 中子照相技术研究中心。国内一段时间中子照相技术研究发展不被看好，不少 单位的中子照相技术本身的研究停滞不前，仅少数单位还在进行中子照相技术 研究。 中物院的中子照相技术始于八十年代初，多年来一直持续发展，以3 0 0 4 反 应堆为强中子源，在国内较早地建立了以胶片为成像介质的静态中子照相装置， 并利用该装置完成了院内、外一些物件的无损检测任务。因为中子照相技术在 璺型查兰里主堂垡笙奎 库存武器可靠性研究中的重要地位，该技术在院内一直备受重视和支持，经过 几批科技人员的推动，又先后建成了以像增强器耦合c c d 为成像介质的中子 照相系统，和以制冷数字c c d 为成像介质的在线中子照相系统。更高性能的 热中子照相装置正在建设之中，快中子、冷中子照相的前期研究已经开始，中 子层析照相、相衬成像等中子照相形式的预先研究也在进行之中。目前，中物 院在中子照相领域己走在国内的领先位置，以库存武器可靠性研究为依托，中 子照相技术在中物院的发展将有更光明的前景。 中子照相技术已经发展了5 0 多年，其无损检测能力、检测方式、应用领 域、检测灵活方便性都有了极大提高。目前中子照相技术可以检测小于o 1 哪 的缺陷，有静态、在线中子照相，有胶片、c c d 、中子成像板( n 口) 、非晶硅 面等多种成像介质，有冷、热、快中子成像，有透射式、相衬、层析等成像方 式。 1 2 中子照相技术的特点 射线成像技术是射线产生与探测技术、电子技术、计算机技术与现代图像 重建技术相结合的产物。从原理上讲，x 射线、y 射线、电子柬、质子束等都 能够用于射线成像研究，目前获得应用的主要有x 射线、和y 射线中子射线成 像技术。 中子照相是一种很有价值的无损检测技术，它补充完善了x 射线等其他射 线成像方法的无损检测能力。x 射线和中子射线成像技术是利用不同材料对射 线有不同的衰减系数这一特性而成的。不同材料对x 射线的衰减系数随原子序 数的增加而增加，而中子射线的衰减系数则是杂乱无章的，低原子序数的材料， 如氢可能有很高的中子衰减系数。高原子序数的材料，如铅可能有较低的中子 衰减系数。中子、x 射线的衰减系数与原子序数的关系见图1 1 。同种材料的同 位素之间的中子衰减系数可能有很大的差别，如g d 9 0 与g d 9 1 的截面相差尽三 个数量级。中子照相还可以对放射性物质进行检测。6 0 年代中期正是由于放射 性物质无损检测的需要，中子照相技术才得以迅速发展。当中子入射到被检测 样品后，与原子核发生相互作用( 散射或核反应等) 后的透射中子其强度和空 间分布将发生变化，各种材料具有不同的衰减特性，作用强弱与发生作用的局 部区域中样品所包含材料的性质( 元素、密度、空穴等) 密切相关。将透射中 子注量率的空间分布显示出来，即可获得被检测样品内部特性的空间分布、密 一2 一 四川大学硕士学位论文 度变化以及各种缺陷的综合信息。 从中子照相和x 射线照相的结果图像对比( 见图1 2 ) ，不难发现中子照相 的图像有不少优点，它与x 射线照相技术是相互补充的。这主要表现在以下几 点：( 1 ) 中子辐射照相可以对某些低原子序数的材料与高原子序数的材料一样 进行成像，而x 射线照相则最适用于某些高原子序数的材料成像。( 2 ) 中子照 相还可以对强放射性试样进行成像，例如反应堆用过的元件棒的中子照相检测。 中子照相可用转移( 间接) 曝光法，对带有放射性的材料检测时，可以消除材 料自身放射性的干扰，获得良好的检测效果。( 3 ) 中子照相能检测被金属材料 包裹的轻材料，如金属外壳内的有机物和无机物的状态。另外，中子照相还可 对含氢材料自身缺陷进行检测。 由于中子源的焦点尺寸都很大。中子束的准直比无法很大的提高，以及中子 源的庞大和不易获得，屏蔽措施复杂等原因，中子照相技术相对于其他的射线 检测技术，其独一无二的优势是其对某些重金属的强穿透力、对氢材料的高反 差灵敏度，以及对放射性材料的能够检测。因此中子照相技术是x 光射线照相 技术的有益补充，在检测火工品等含氢材料、重金属组件、放射性材料等方面 弥补了x 光射线的不足，图1 2 显示了几种射线检测技术的特点网。中子照相 已经在叶片检测、油箱腐蚀、轻材料检测、核燃料检测及复合材料检测中显示 其独特能力。 于序t 图1 1不同元素的热中子和不同能量的x 射线的质量衰减系数比较图 婴型查兰里圭兰丝堕苎 射线粒子与物质相互作用是射线无损检测的基础，正是由于中子射线的这 些独特的性质，中子无损检测技术成为一种其他方法无法替代的、在某些场合 唯一可行的检测手段。因此它得到了很多国家的重视，具有非常广阔的发展前 途，能被广泛应用于科学研究、工业、国防、生物、医学、考古等多个方面。 世界上各发达国家都竞相开展了这方面的研究和应用开发。尤其是近几年中子 照相得到了飞速发展。我国在中子无损检测研究方面起步较晚，目前发展水平 还比较落后。 p h o t o g r a p h i cv i e w f 阳m q l t s 诺e x - r a y l m a g e 5 0k v g a m m ar 列i a 吐o n c a - 8 01 1 2m e v l t h e 订响ii l l | j d b l o n $ ( 2 5n l e v j 固1 2 哑弹的中子、x 射线、伽马射线检测比较图 1 3 层析照相的现状 十九世纪六十年代c t 的问世在放射学界引起了爆炸性的轰动，被认为是 继伦琴发现x 射线后，工程界对放射学诊断的又一划时代的贡献。1 9 7 9 年的诺 贝尔生理和医学奖破例地授予了两位没有专门医学经历的科学家：c o d f r e y n h o u n s f i e l d 与a l l a nm a c l e o dc o r m a r k 。 以x 射线、- r 射线为射线源的医用c t 、工业c t 在各自的领域发挥了重要 的作用。目前中国也具有了可以自主研发生产多排c t 能力，并投入使用，使 一些复杂设备的检测时间大大缩短，为国家节省装备采购经费数亿元。 由于高通量、高准直比中子束的不易获得，以及中子屏蔽等方面的难点， 婴型查兰壁主兰竺堡茎 使得中子照相技术研究及其应用远不如x 射线、y 射线普及。中子层析照相技 术在国外已开展并投入应用，一些国家建成了中子层析照相装置，有发达国家 如瑞士、德国、意大利、法国、美国等等，也有发展中国家如印度、阿尔及利 亚、南非等等。遗憾的是目前国内尚未建成中子层析照相装置。 中物院在3 0 0 “反应堆上率先建立了国内首套在线数字中子照相装置。作为 中子照相领域研究最活跃的单位，中物院正在开展中子层析照相技术研究，争 取建成国内首套中子层析照相装置。 1 4 本文研究的主要内容 本文利用实验、理论分析、模拟及比较方法研究了c c d 屏蔽方案，较好的 解决了c c d 辐射损伤问题。 开展了m c n p 数值模拟中子照相技术研究，从而增加了一种中子照相技术 研究新方法。 针对中子层析照相特点，开展了投影图像的预处理及重建图像的处理方法 研究。 开展了层析重建技术研究，并利用3 0 0 反应堆在线中子照相装置进行了国 内首次中子层析实验，得到了较好的实验结果。 2 中子照相基本理论 2 1 中子照相基本原理 中子照相基本原理最初由德国h k a l l m a n 于1 9 3 5 年提出，后又由德国的 o p e t e r 和美国的b e r g e r 、英国的b a r t o n 在上世纪五十六十年代发展补充【”。 中子照相的基本原理如图2 1 所示。中子源发射的中子束经准直后，照射样 品，由像探测器记录透过样品的中子束的空间分布，然后根据透射中子束空间 分布特征，得到样品的内部结构信息。 中子透过样品物质时与物质的原子核发生相互作用，强度被减弱。从宏观 角度看，透射中子束强度与入射中子束强度之间存在以下的数学关系： ，：厶e j “( 2 1 ) 式中： i 一透射中子柬强度，n c m - 2 s ； i o 一入射中子束强度，n c m - 2 s 一； 争 四川大学硕士学位论文 一样品对中予的减弱系数( 宏观截面) ，c m 一1 x 一样品在辐射方向上的厚度，e m 。 s o u 忙e c o l 陆n a t a ro b j e c t d e t b c t o i 图2 1 中子照相原理示意图 由于样品内部结构及材质( 元素、密度、空穴等) 不同，透射中子束的空间分 布也不同，探测器将中子束的空间分布转换为图象信号，解读中子束空间分布 图象，就可以得出样品的内部结构。 中子照相和x 射线照相的原理一样，都是根据透过样品的射线的分布判断 样品的内部结构的。但两者的作用机理不同：中子与原子核作用，而x 射线与 核外电子作用，因而两者呈现出的性质也就不同。x 射线的质量衰减系数随着 原子序数的增加而平滑地连续上升，重元素质量衰减系数大，轻元素小，而中 子的质量吸收系数却与原子序数的变化无关( 参见图1 1 ) ，一些轻元素的大，而 一些重元素的反而小，某些原子序数相近的元素和同一元素的不同同位素，也 往往有较大差异，因此，中子照相技术在检测含氢材料、原子序数相近的元素、 重金属组件等物质结构特征方面较x 射线照相更具优势。 2 2 装置组成 中子照相装置由中子源、准直器、像探测器、图像处理分析软件等组成，如 图2 2 。 2 2 1 中子源 常见的中子源有反应堆中子源，加速器中子源，同位素中子源和次临界装置 中子源等。中子照捅中子源应具有下列特点： 四川大学硕士学位论文 ( 1 ) 为了缩短照相时间，通常采用尽量强的中子源。 ( 2 )中子束截面尽量大，以便检测大的样品。 ( 3 ) 为了得到较高的分辨率，中子束准直比要尽量大。 ( 4 ) 为了减少伴随射线的影响，伴随射线要少。 目前最常见的中子照相中子源就是反应堆。反应堆的中子注量率较高，一般 反应堆的中子注量率为1 0 ”1 0 “c i s ，高注量率堆甚至可以达到 1 0 ”c m s 一。s p r r - 3 0 0 是一座功率为3 m w 的热中子研究堆，堆芯最高 热中子注量率为6 1 0 ”c m 2 - j ，中子照相装置是以毋= 1 5 0 r a m 的热柱孔 道引出的热中子束作中子源，用石墨作中子慢化剂，用铅作y 射线过滤器。 准直器采用仿圆锥形扩展光栅结构，其性能参数如下： ( 1 )被照物体处的最大中子束注量率为1 0 6 o n 2 j ； ( 2 )中子束准直比l d = 6 0 6 6 0 ； ( 3 )中子束镉比c d = 4 1 5 0 ； ( 4 )y 剂量率= 4 0 0 8 0 0 m s v h 。 囤2 ，2 反应堆中子照相装置原理示意图 2 3 2 中子照相探测器 中子照相探测器要完成时间、能量和空间上的积分，它应可以将所有穿透 中子转换为样品图像。常见的中子照相探测器有转换屏+ x 底片、转换屏加c c d 相机、径迹蚀刻、中子成像板等，不同中子照相探测器的工作特征如图2 3 所 示。 1 四川大学硕士学位论文 图2 3 不同探测器的工作特点 2 2 1 “转换屏+ x 底片”成像法 中子本身不带电，不能直接探测，只能把中子转换为次级粒子探测。这是我 们采用“转换屏+ x 底片”法的原因。转换屏用中子吸收截面很大的材料组成， 它与透射中子发生核反应，产生大量的次级粒子，再由这些次级粒子使x 底片 感光成像。这种成像法有探测设备简单，较易得到图像等优点，但转换屏的转 换效率不高。 2 2 2 径迹蚀刻法 用吸收中子后能产生口粒子或其它重粒子的材料作转换屏，用云母片或塑料 薄膜代替x 底片。当口粒子或重带电粒子轰击这些薄膜时，形成电离损伤，经 化学蚀刻，使电离损伤部分腐蚀穿孔，由孔洞疏密不同而形成图像，显示物体 内部的状态。 2 2 3 中子数字照相法 根据探测器的不同，中子数字照相法又分为数字c c d 照相法、n i p 成像板 成像以及c m o s 数字探测器法等。这种方法的分辨率不是很高( 低于胶片成 一8 一 婴型奎兰堡圭兰些笙茎 像) ，但具有动态范围大，线性度好，探测灵敏度高，易于数字化，耗时短，操 作简易等优点，现在已经是中子照相的主流成像方法。 2 3 不同能量中子照相的特点 任何能量下的中子束都可以进行中子辐射照相，但是不同中子能量下的照 相有不同的特点。中子照相按中子束的能量分有：热中子照相，冷中子照相， 超热中子照相和快中子照相四种。 2 3 1 热中子照相 热中子能量在o 0 0 5 e v 到0 5 e v 之间。大多数中子辐射照相是用热中子实 施的，因为热中子具有十分有利的衰减特性，这是中子照相的基础，本文涉及 的实验均采用热中子束辐照样品。 2 3 2 冷中子照相 冷中子的能量低于o 0 0 5 e v 。对于氢和非结晶材料，冷中子的散射截面很 大，所以冷中子可以较容易检查稀少的氢。在冷中子能区内，由于中子在某些 材料中没有弹性散射，对这些材料进行热中子照相由弹性散射引起的不利的因 素( 散射噪声) 也就可以消除了，所以冷中子能穿透某些材料( 如铁等) 较厚 的夹层。由于这些特性，冷中子照相在对某些样品实施照相时有其它能量中子 照相无法比拟的优点。如对铁实施冷中子照相其厚度范围可达1 0 1 5 c m ；也可 利用其截面差异，在材料中检测其它微量杂物。 2 3 3 超热中子照相 超热中子能量在0 5 e v 到1 0 k e v 之间。超热中子对物质的穿透能力较热中 子强，对于热中子不能穿透的部件无法进行有效的中子照相时，可利用超热中 子照相，因为某些材料在超热中子能区，有较大共振吸收截面，这有助于提高 反差灵敏度。 2 3 4 快中子照相 快中子能区的中子反应截面比较小，因此穿透力较强。由于其反应截面低、 转换屏效率也比较低，曝光时间长，如果在转换屏中加石蜡、塑料、铅，可使 四川大学硕士学位论文 胶片曝光量降低。适合于大尺寸样品的透射成像。 2 4 不同形式中子照相的特点 2 4 1 透射式中子照相 透射式中子照相即传统的中子照相，通过采集中子束透射过物体的直接投 影，对物体进行检测。透射式中子照相是基于中子的粒子性，利用不同材料的 中子质量衰减系数不同而获取样品内部的结构潜像，属于吸收散射衬度成像。 该形式的中子照相方法简单，对中子源、准直器、机械加工及数据处理软件等 要求较少，容易获得。其缺点是信息重叠，结果显示简单，对于结构负杂样品 不利于观察、分析和判断。 2 4 2 相衬式中子照相 相衬成像是基于中子的波动性，当中子波穿过样品时，由于样品对中子的 折射，不同厚度、不同材质引入的相位差不同，从而导致波前畸变，畸变的波 前在穿过样品后作为次波源互相干涉成像，从而获取样品内部结构潜像。相衬 式中子照相对小孔中子源要求较高，目前国内尚未得到满意结果。 2 4 3 层析式中子照相 层析式中子照相是采集样品多角度的投影数据，再通过数据重建技术，得 到样品每个确切位置的密度( 中子衰减系数) ，最后用计算机图像显示软件，将 样品内部结果任意角度、任意切片、任意密度三维显示。层析式中子照相对中 子源的强度、准直比、载物平台的精密度、数据预处理，特别是重建算法、图 像显示要求很高。 2 5 准直器对中子照相质量的影响 与电子或其它带电粒子不同的是，中子很难被聚焦，通常是通过准直器对 中子限束来获得准直的中子束。表示中子照相性能的三个主要指标为：分辨率、 反差灵敏度和照相速度。中子照相准直器系统的设计直接影响了照相系统的这 三项指标。 2 5 1 准直系统的构成和类型 婴型查兰堡主兰垡堡苎 准直系统对中子束主要有两方面的限制。一方面是物理限制，减少热中子 束的杂质成分，如快中子等。这主要依靠快中子慢化剂和y 射线过滤材料来实 现。另一方面是几何限制，主要是限制入射到被照物上的中子束的角度发散。 因此一个完整的中子照相准直系统应当包括以下四个部分： ( 1 ) 慢化体：以提高热中子对快中子的比例。 ( 2 ) y 过滤器：以提高n y 比。 ( 3 ) 中子光阑：它的目的在于减少散射中子的影响，调节准直比。 ( 4 ) 中子准直器。 常见的中子准直器有圆筒型，多束圆筒型、多束平板型、发散型等。圆筒 型准直器的特点是结构简单，易加工，但是它所提供的照相中子束截面积较小， 准直比较差；多柬圆筒型和多束平板型准直器。它们的准直比就是每一个小圆 管或平板间的准直比，因而准直比可以做的很大。这种准直器要求在准直器入 口处中子注量率分布很均匀，但是这种准直器的中子束强度损失很大，在中子 照相的图像中产生圆圈或线条状的干扰；发散型准直器是种应用较为广泛的 准直器，这种准直器的入口较小，整个准直器沿着出口方向均匀发散。这样， 到达被检测物体的中子束的角分布只取决于准直器入口直径d 和准直器长度 i ，。 2 5 2 准直器与中子照相系统分辨率的关系 分辨率是指中子照相系统能够分辨被照物的最小尺寸，它是中子照相系统 的反差灵敏度( 即中子入射方向上可被检测缺陷的最小厚度) 和不锐度的函数。 中子照相系统的固有不锐度包括两个方面：几何不锐度( 非点源样品成像后模 糊的边界宽度) 、成像系统不锐度( 成像系统固有的不清晰度) 。系统总的不锐 度为： u = ( u ：+ u 矿3 ( 2 2 ) 式中；u 为中子照相系统的总不锐度； 【，。为几何不锐度 u ，为中子照相转换屏和成像系统不锐度 准直器主要对几何不锐度有影响，几何不锐度由下式表示： 四川大学硕士学位论文 u s2 而t ( 2 - 3 ) 式中：d 是准直器入口尺寸( e r a ) ； l 是准直器的长度； t 是像探测器的到被照物的距离。 由式( 2 3 ) 可以得出：几何不锐度与准直比l d 成反比而与f 成正比，而几 何不锐度将直接影响成像质量。在照相过程中要求准直比尽可能的大而成像屏 与被照物之间的距离t 尽可能的小，这样可以减小成像的几何不锐度。 另外，由( 2 2 ) 式可以看出，在中子照相系统的设计中，必须考虑到成像系 统的不锐度u ，。当u ，很大时，单纯地减小几何不锐度是没有意义的。同时还 必须注意到分辨率是图像反差灵敏度的函数。 2 5 3 准直器与中子照相系统反差灵敏度的关系 反差灵敏度是指中子入射方向上可被检测缺陷的最小厚度，在胶片成像时 反差灵敏度可表示为： 埘：竺 ( 2 4 ) g e 其中x 是可探测到的被照物中最小厚度变化，即反差灵敏度；g 是胶片黑度 曲线的斜率；e 是该斜率所对应的曝光量a d 是胶片成像可探测到的最小密度 变化。 从反差灵敏度的计算结果可以看出，为了获得较好的反差灵敏度，或者说 为了探测到更小的缺陷，胶片必须有高对比度( g ) ，而且曝光量尽可能的高。 2 6 中子照相技术的应用 中子照相技术通过多年的发展，在各方面的应用日益广泛。许多国家都已 经发展成为商业性的服务行业，目前中子照相技术的应用主要有以下几方面 【1 2 1 ： ( 1 ) 炸药等含氢材料组件的检验 航天火箭发射的可靠性是头等大事，故对航天火工品的缺陷检查是必不可 少的。如用于飞行姿态控制的导火索和用于各级火箭分离的爆炸螺栓等均须用 中子照相方法加以检查。中子照相可以对炸药导火索，雷管等部件的炸药相对 四j i i 大学硕士学位论文 密度的变化进行检测。图2 3 是对炸药导爆索和网络板等部件的炸药相对密度 的变化和“间断缺陷”进行了有效的检测，相对灵敏度可达5 ，裂缝分辨率 为3 0 l a m 左右。 ( 2 ) 核燃料元件检测 检测核燃料元件内的放射性核素浓缩度的相对变化情况和短元件在燃料 组件中的装配情况，以及元件中掺入的可燃毒物g d 的含量及其颗粒的大小与 分布。 ( 3 ) 厚壁重金属构件检测 由于x 射线对一般重金属穿透能力较差，所以对厚壁部件的检验都用中 子照相技术进行质量检测。 ( 4 ) 电子元器件检测 对微型电子线路的质量检验，如检测其中的断裂缺陷，绝缘材料的填充状 况等。 ( 5 ) 军事上的应用 通过中子照相检测，提高爆炸品的可靠性、防止“膛爆”事故，保证产品 质量和使用安全。尤其是研究动态过程，如爆炸中的力学过程，应用“实时照 相”技术更有效。 ( 6 ) 在考古学中的应用 在考古学中，中子照相可以考证古代文物的内部结构，制造工艺等。例如 用中子照相分析印度制造的g u p t a 铜像发现，铜像的一条腿是后来修补的，用 中子照相可以清晰的看到腿内芯子破裂部分的粘胶状态和分布。 ( 7 ) 在医学上的应用 x 射线照相对骨骼的检查很有效，但对骨骼中的肿瘤位置很难确定，而中 子照相检查就能准确地诊断，而且边界十分清晰。 ( 8 ) 在刑事侦察中的应用 中子对毒品、炸药的探测很灵敏，所以中子照相已经成为海关安全检查的 重要手段。 ( 9 ) 在地质、生物学等方面的应用 石油工业中，储集层没有裂缝或者裂缝不发育便不能形成高产气层，中子照 相在储集层研究领域不仅对裂缝酸化效果可以进行评价，并且为硅酸盐储集层 岩心中隐蔽的孔洞、裂缝分析提供了一种新手段、新内容。生物学中土壤中植 堕型查兰堡主兰竺笙兰 物根系生长过程研究可借助中子照相完成，图2 4 是一植物的根茎中子照相图 片。 图2 3 炸药网络填药间断检测 图2 4 植物根茎的中子照相结果图片 3 中子层析照相基本理论 3 1 中子层析照相的特点 二维透射式中子照相是基础的中子照相方式，成像方式简单，内部结构信 息重叠，不能满足一些物件的检测要求。中子层析的成像方式与透射式中子照 相的成像方式是完全不同的，它的图像具有不受检测断层以外的其它部份的干 扰，没有影像重叠，具有图像清晰、直观、质量高、便于解读等优点。层析成 像和一般透射成像结果的比较如图3 1 所示。 中子层析技术是一项多学科交叉、综合性强、技术复杂的高技术，涉及数 学物理知识、辐射与探测技术、精密机械、自动控制、电子技术、计算机硬软 件、图像处理、模式识别等技术。 中子层析照相的工作过程大致分为两个方面，即获取包含被测物结构特征 四川大学硕士学位论文 信息投影数据的扫描过程和根据所获投影数据按一定方法求出被测物断层特征 量分布的图像重建与处理过程。其基本原理为：基于射线与物质的相互作用规 律，利用射线穿过被测物，用一定方式对被测物体衰减后的射线进行测量，获 得足够数据，对这些数据进行一定处理后，通过一定的图像重建方法将被测物 断层的物理特征分布( 如密度分布) 计算出来，并用数字化的计算机图像的形 式表示出来。 透射式照相 图3 1 层析照相与透射照相成像方式比较示意图 3 2 装置组成 中子层析照相装置由中子源、准直器、精