專利名稱：中子顯微成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是關(guān)于一種中子顯微成像技術(shù)，特別是涉及到中子物理成像的中子顯微成像裝置。
1.中子具有一定的靜止質(zhì)量，m0＝1.674920×10-24g，根據(jù)物質(zhì)波動(dòng)理論，由德布羅意公式可以得到中子的波長(zhǎng)λ=81.8E]]>例如一個(gè)熱中子其能量E＝25meV，它的波長(zhǎng)為0.181nm，該值接近于原子大??；又如一個(gè)共振中子E＝1MeV，它的波長(zhǎng)λ＝2.86×10-5nm。通常探測(cè)儀器的分辨率和它的波長(zhǎng)成反比，因此，當(dāng)用中子作為顯微鏡的照明源時(shí)，極限分辨率為波長(zhǎng)的1/2，足以觀察原子核內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)，可見其誘惑力是多么大。
2.中子不帶電荷，因此，它射入物質(zhì)時(shí)，不僅不與核外電子相互作用，不需要克服核庫(kù)侖力的障礙，因而即使是低能粒子，也能進(jìn)入原子核內(nèi)，引起各種核反應(yīng)。
3.除了氫、鋰、硼等個(gè)別元素外，中子質(zhì)量吸收系數(shù)遠(yuǎn)比X射線小，特別是在重元素里，中子的穿透能力很強(qiáng)，在輕元素里，穿透能力較差，其行為正好與X射線相反。
X射線透射顯微術(shù)的襯度機(jī)制，是當(dāng)X射線和物質(zhì)相互作用時(shí)，在入射方向上，光子數(shù)減少并遵從比爾定律，而中子也具有這種特性。
從上面介紹可以看出，假如中子和顯微技術(shù)結(jié)合起來(lái)，對(duì)于超微細(xì)結(jié)構(gòu)的研究、洞察自然界的奧秘，將提供一個(gè)有效的工具。
在先技術(shù)中，1997年，在帕諾·斯蓋仁研究所提供了一種中子透射射線照相裝置，此儀器分辨率最高為2μm，但它還不是一臺(tái)中子顯微成像裝置，不能觀察原子核內(nèi)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型的具體結(jié)構(gòu)是包括由屏蔽層10構(gòu)成的屏蔽室11，內(nèi)置有中子源1，在屏蔽室11內(nèi)，由中子源1發(fā)射的中子束，首先經(jīng)過(guò)長(zhǎng)筒狀的中心軸線OO′與中子束中心束軸OO′重合置放的準(zhǔn)直器2，經(jīng)準(zhǔn)直器2準(zhǔn)直的中子束，到入射面與中子束中心束軸OO′的夾角α＝10°～20°置放的、并中點(diǎn)O′在中子束中心束軸OO′上的單色器3，經(jīng)單色器3出射的中子束的中心束軸O′O″與單色器3入射面的夾角α′＝α，經(jīng)單色器3出射的單色中子束，經(jīng)過(guò)狹縫4和波帶片5，將中子束聚焦在置放在樣品臺(tái)7上的待測(cè)樣品6上，待測(cè)樣品6產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)正比計(jì)數(shù)器8變成電流信號(hào)，輸入到計(jì)算機(jī)9內(nèi)進(jìn)行重構(gòu)處理。
所說(shuō)的中子源1是裂變反應(yīng)堆中子源，或者是加速器中子源。
其中，裂變反應(yīng)堆中子源是把鈾和钚等裂變材料作燃料，而以中子為媒介、維持可控鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的裝置，稱為裂變反應(yīng)堆，這種裝置可獲得高通量的中子輻射，可達(dá)1013～1020中子數(shù)/秒，可以長(zhǎng)期運(yùn)行，并且已研究出多種方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)中子單色化。
其中加速器中子源采用各類加速器，加速帶電粒子去轟擊某些靶核，產(chǎn)生中子。中子的單色性取決于帶電粒子的單色性，因此，加速器中子源的最大優(yōu)點(diǎn)是可產(chǎn)生單能中子。
所說(shuō)的準(zhǔn)直器2通常由一個(gè)具有矩形或圓形截面的鋼管或鋼筒構(gòu)成，從準(zhǔn)直器2中出射中子，其發(fā)散度等于孔徑和長(zhǎng)度的比值，顯然只要縮小孔徑，增加長(zhǎng)度，可以大大改善發(fā)散度，這樣做將損失出射中子的通量。
所說(shuō)的單色器3為使中子單色化，通常選用一塊較大的單色晶體，用衍射方式，使不同波長(zhǎng)的中子產(chǎn)生角色散進(jìn)行單色化，其原理和光柵譜儀相類似。本實(shí)用新型的單色器3是由金屬晶體構(gòu)成的，如由鉛晶體構(gòu)成，或者由銅晶體構(gòu)成，或者由鈹晶體構(gòu)成。被單色器3反射的中子數(shù)N為N=2N1λ(EKT)e-E/KT2dcosθRθ]]>式中，N1為每秒鐘入射到單色器3上的所有速度的中子總數(shù)；E波長(zhǎng)為λ的中子能量；θ布喇格角；d晶格常數(shù)；Rθ旋轉(zhuǎn)晶體積分反射率；K玻爾茲曼常數(shù)；T絕對(duì)溫度所說(shuō)的狹縫4，在中子工作中，通常選鎘作為狹縫。因?yàn)?，在已知的各種材料中，鎘對(duì)中子的透射系數(shù)最低，趨近于零，所以鎘是最佳候選者。
所說(shuō)的波帶片5是一種衍射透鏡，可以看成是一個(gè)線密度沿徑向遞增的圓形光柵，利用它的效率較高的一級(jí)衍射，幾乎可以對(duì)所有波長(zhǎng)的輻射成像。本實(shí)用新型中用的是菲涅爾波帶片，它是由一系列環(huán)帶組成，用于將中子聚焦成極細(xì)小的焦斑(焦斑小于5nm)，以便在待測(cè)樣品6上進(jìn)行掃描。本實(shí)用新型中的聚焦元件波帶片，是用電子束制版制作的，分辨率由最外環(huán)波帶寬度決定，目前的最高分辨率已達(dá)5nm，通常是用鉛或鎘作材料。
樣品臺(tái)7可進(jìn)行上下和左右平動(dòng)，它可用壓電陶瓷控制，待測(cè)樣品6放在樣品臺(tái)7上。
所說(shuō)的正比計(jì)數(shù)器8，由于中子在物質(zhì)中不能直接引起原子的電離，沒有電流輸出，所以本實(shí)用新型中是采用正比計(jì)數(shù)器8，接收中子數(shù)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)輸出，所采用的正比計(jì)數(shù)器8是3He計(jì)數(shù)管，3He計(jì)數(shù)管中的反應(yīng)是He23+n01=H11+H13+0.76MeV]]>其中，23He為氦的同位素，01n為中子源1發(fā)射的中子符號(hào)，11H，13H為氫的同位素。
這樣，中子信號(hào)就變成了電流信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)變，輸入到計(jì)算機(jī)中，就獲得待測(cè)樣品6的圖像信息。
從中子源1發(fā)出的中子，經(jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后，發(fā)射一束平行的中子束到單色器3上，經(jīng)單色器3色散，形成單色中子束，再經(jīng)過(guò)鎘狹縫4濾波后，一平行單色的中子束照射到波帶片5上，中子經(jīng)波帶片5聚焦，焦點(diǎn)落在待測(cè)樣品6上。待測(cè)樣品6放置在樣品臺(tái)7上。樣品臺(tái)7作上下、左右移動(dòng)掃描，從待測(cè)樣品6處透射的信號(hào)被正比計(jì)數(shù)器8接收，輸出電流信號(hào)，輸入到計(jì)算機(jī)9內(nèi)進(jìn)行重構(gòu)處理。本實(shí)用新型與在先技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)本實(shí)用新型的中子顯微成像裝置，由于采用中子源1，有單色器3的單色化、波帶片的聚焦等結(jié)構(gòu)，可以測(cè)量極細(xì)微的結(jié)構(gòu)，分辨率比較高。所以，可以在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、物理、地球化學(xué)和宇宙化學(xué)、考古學(xué)、海洋學(xué)等方面獲得極為廣泛的應(yīng)用。例如，中子顯微成像裝置可以測(cè)定核糖體和染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)；采集少量海水，就可對(duì)海洋沉積物和海底巖石微量元素分布規(guī)律進(jìn)行研究；通過(guò)對(duì)地球和其它外來(lái)宇宙物質(zhì)中，稀土元素的豐度和分布分析測(cè)量，研究地球物質(zhì)的演變過(guò)程，和自然界元素的合成理論等。再如，用中子顯微成像裝置能研究農(nóng)藥在農(nóng)作物上的代謝和分解、在土壤中的積累和消失，及其在畜牧產(chǎn)品上的殘留；在物理學(xué)中，可用中子顯微成像裝置探測(cè)原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)等等。
從中子源1中出射的中子，經(jīng)準(zhǔn)直器2入射到鉛單晶的單色器3上，產(chǎn)生色散，用鎘狹縫4選出部分中子束來(lái)，此時(shí)的中子束無(wú)論在發(fā)散度還是光譜質(zhì)量方面，都獲得了極大的改善。
<2>記錄和檢測(cè)系統(tǒng)波帶片5選用菲涅爾波帶片，波帶環(huán)數(shù)大于100，待測(cè)樣品6是生物組織，樣品臺(tái)7是二維移動(dòng)平臺(tái)，正比計(jì)數(shù)器8是3He計(jì)數(shù)管。從狹縫4出射中子束，照明波帶片5，并被波帶片5聚焦在樣品臺(tái)7上的待測(cè)樣品6上，樣品臺(tái)7載著待測(cè)樣品6先上下移動(dòng)掃描，然后左右移動(dòng)掃描，中子束在待測(cè)樣品6上每掃描一點(diǎn)，需停留1ms時(shí)間。待測(cè)樣品6上每透射一點(diǎn)的中子束，入射到正比計(jì)數(shù)器8上，產(chǎn)生一電流脈沖，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換板，輸入到計(jì)算機(jī)9內(nèi)。由于待測(cè)樣品6上各點(diǎn)的吸收系數(shù)不同，輸入到計(jì)算機(jī)9的信息也各異，因此，就可獲得待測(cè)樣品6的清晰圖像。對(duì)于100μm大小的生物樣品，空間分辨率能達(dá)到10nm左右。
本實(shí)用新型的顯微成像裝置獲得的中子顯微圖像分辨率，取決于菲涅爾波帶片聚焦斑的大小，通常的分辨率可以達(dá)到10nm以下，比在先技術(shù)中用中子照相的最好結(jié)果高200倍以上。
權(quán)利要求1.一種中子顯微成像裝置，包括由屏蔽層10構(gòu)成的屏蔽室11，內(nèi)置有中子源1，其特征在于屏蔽室11內(nèi)由中子源1發(fā)射的中子束，首先經(jīng)過(guò)長(zhǎng)筒狀的中心軸線(OO′)與中子束中心束軸(OO′)重合置放的準(zhǔn)直器2，經(jīng)準(zhǔn)直器2準(zhǔn)直的中子束到入射面與中子束中心束軸(OO′)的夾角α＝10°～20°置放的、并中點(diǎn)(O′)在中子束中心束軸(OO′)上的單色器3，經(jīng)單色器3出射的中子束的中心束軸(O′O″)與單色器3入射面的夾角α′＝α，經(jīng)單色器3出射的單色中子束，經(jīng)過(guò)狹縫4和波帶片5，將中子束聚焦在置放在樣品臺(tái)7上的待測(cè)樣品6上，待測(cè)樣品6產(chǎn)生的信號(hào)，經(jīng)正比計(jì)數(shù)器8變成電流信號(hào)，輸入到計(jì)算機(jī)9內(nèi)進(jìn)行重構(gòu)處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子顯微鏡，其特征在于所說(shuō)的單色器3是由金屬晶體鉛晶體構(gòu)成，或者由銅晶體構(gòu)成，或者由鈹晶體構(gòu)成。
專利摘要一種中子顯微成像裝置，包括由中子源發(fā)射的中子束，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)筒狀的準(zhǔn)直器準(zhǔn)直，再經(jīng)過(guò)單色器變成單色中子束后，通過(guò)狹縫由波帶片將其中子束聚焦在置放在樣品臺(tái)上的待測(cè)樣品上，待測(cè)樣品產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)正比計(jì)數(shù)器變成電流信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行重構(gòu)處理。與在先技術(shù)相比，具有分辨率高、能夠測(cè)量微細(xì)結(jié)構(gòu)，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、物理、地球化學(xué)和宇宙化學(xué)、考古和海洋學(xué)等方面的微觀結(jié)構(gòu)的觀察測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N23/02GK2591620SQ02283659
公開日2003年12月10日 申請(qǐng)日期2002年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月27日
發(fā)明者陳建文, 高鴻奕, 謝紅蘭, 徐至展 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所