專利名稱：高分辨率中子衍射增強(qiáng)成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及中子成像，特別是一種高分辨率中子衍射增強(qiáng)成像裝置，它在國(guó)防工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等方面有著極其廣泛的用途。
背景技術(shù)：
中子屬于四大類基本粒子之一的重子，具有一定的靜止質(zhì)量、不帶電荷、自旋為1/2、負(fù)的磁矩和自由中子不穩(wěn)定，發(fā)生β衰變等基本特性。
中子與物質(zhì)相互作用，不同于帶電粒子和電磁波(X和γ射線)，中子不帶電荷，射入物質(zhì)時(shí)不僅與核外電子幾乎沒(méi)有作用，不需要克服電荷庫(kù)侖力障礙，因而能量很低的中子也能進(jìn)入原子核(靶核)內(nèi)引起各種核反應(yīng)，而且反應(yīng)幾率往往很大。
中子與核的相互作用可以被看成是中子波與核的相互作用。根據(jù)物質(zhì)的波動(dòng)理論，由德布羅意公式，在非相對(duì)論時(shí)，粒子波長(zhǎng)為λ＝h/p＝h/mvλ為粒子的德布羅意波長(zhǎng)，h為普朗克常數(shù)，p為粒子動(dòng)量，m為粒子質(zhì)量，v為速度。由此可以推導(dǎo)出公式λ()＝0.286Tn-1/2，其中Tn為中子動(dòng)能(電子伏)。
由量子力學(xué)可以知道，中子波長(zhǎng)越長(zhǎng)，中子引起的核反應(yīng)幾率就越大。
X射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，X射線是與物質(zhì)內(nèi)原子的電子云相互作用，因此，它的衰減取決于電子云的電荷密度，而且隨樣品原子序數(shù)的增大而增加；不像X射線，中子是與原子核作用，總的中子截面與核的性質(zhì)有關(guān)，不同元素甚至同位素之間也有很大的差別。
轟擊靶核的中子并不與核內(nèi)所有粒子相互作用，而只與一部分最靠近的粒子作用。因此，所有原子核的核子結(jié)合能差不多相同。中子與復(fù)雜核的相互作用勢(shì)和中子與單個(gè)核子的相互作用勢(shì)處于相同的數(shù)量級(jí)。
中子與原子核的作用有多種形式，包括彈性散射、非彈性散射、放出帶電粒子的反應(yīng)、核裂變以及輻射俘獲等。
由于中子在物質(zhì)中不能直接引起原子的電離，因此，只能依據(jù)中子與原子核的強(qiáng)相互作用來(lái)探測(cè)，不同能量的中子有不同的核過(guò)程，因而也就有不同的探測(cè)方法，主要有反沖核法(適于快中子)、核反應(yīng)法(主要用于慢中子)、核裂變法和活化法。
中子成像的探測(cè)方法主要有膠片法和CCD等，無(wú)論哪種都需要和轉(zhuǎn)換屏一起使用。這是因?yàn)槟z片等這些探測(cè)器對(duì)中子的直接探測(cè)效率非常低，需要間接探測(cè)。轉(zhuǎn)換屏的作用就是使中子與其相互作用后產(chǎn)生α、β或γ以及可見(jiàn)光等次級(jí)輻射，膠片等探測(cè)器就是記錄它們的強(qiáng)度。因此，轉(zhuǎn)換屏的效率和質(zhì)量直接影響著中子成像的結(jié)果。
根據(jù)轉(zhuǎn)換屏中轉(zhuǎn)換物質(zhì)與中子相互作用后的產(chǎn)物特性，轉(zhuǎn)換屏可分為兩類瞬態(tài)屏和活化屏。瞬態(tài)屏是指直接曝光法中使用的中子成像轉(zhuǎn)換屏，如6LiF-ZnS(Ag)、有機(jī)塑料+Gd2O2S、Gd等，它在中子成像過(guò)程中發(fā)出的次級(jí)輻射以及對(duì)像的形成是在瞬間完成的。而活化屏則是間接曝光法中使用的轉(zhuǎn)換屏，如In銦、Dy鏑等，它在中子照射下形成有一定壽命的放射性核，在轉(zhuǎn)換屏上建立子核的潛像后，再將轉(zhuǎn)換屏與膠片緊貼在一起，使轉(zhuǎn)換屏子核的衰變輻射在膠片上形成圖像。
中子成像是在X射線成像的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，但是中子成像某些方面要比X射線成像更有優(yōu)勢(shì)，可以解決X射線成像難以解決的一些問(wèn)題。所以，一般認(rèn)為它是X射線成像的很好的輔助手段。例如，中子與X射線跟物質(zhì)相互作用的一個(gè)明顯差別，反映在各種元素的質(zhì)量吸收系數(shù)上。氫的熱中子質(zhì)量吸收系數(shù)很大，而一些重元素的中子質(zhì)量吸收系數(shù)卻很小，于是對(duì)于檢查有含氫物質(zhì)和重金屬所組成的物體中子成像特別有效。比如對(duì)槍彈進(jìn)行中子成像檢查，不僅能透過(guò)金屬外殼顯示里面裝載的炸藥，而且能觀察到炸藥密度是否均勻、有無(wú)空隙等。對(duì)于含氫和塑料與金屬組合而成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體，采用中子和X射線成像，并進(jìn)行比較，能對(duì)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)獲得更正確的了解。有些原子序數(shù)鄰近的元素或同一元素的不同同位素，往往中子質(zhì)量吸收系數(shù)相差很遠(yuǎn)，因此利用中子成像就很容易將它們區(qū)分開(kāi)來(lái)。在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)上，可以用中子成像來(lái)檢查骨膜的膠質(zhì)和癌細(xì)胞，檢查牙髓，進(jìn)行病理學(xué)研究等。
或許是在X射線相襯成像技術(shù)的啟迪下，澳大利亞和歐洲的一個(gè)聯(lián)合小組，發(fā)展了一種同軸相襯成像方法，他們采用冷中子，相應(yīng)的de Brogile波長(zhǎng)為0.433nm，成功觀察到黃蜂的腿關(guān)節(jié)和翅膀的某些細(xì)節(jié)。
我們知道，無(wú)論是光波或者物質(zhì)波，當(dāng)通過(guò)物體時(shí)，要產(chǎn)生散射和吸收，在離樣品適當(dāng)距離將獲得清晰的樣品吸收襯度像，這是常規(guī)顯微和層析的成像基礎(chǔ)。
從X射線學(xué)中我們已經(jīng)知道X射線的折射率nx＝1-δ，δ＝r0λ2NatF/2π，式中，λ為X射線波長(zhǎng)，r0為經(jīng)典電子半徑，Nat為單位體積內(nèi)原子數(shù)密度，f為原子散射因子。從中子學(xué)可知，中子的折射率具有和X射線相同的形式，nn＝1-λn2N(b±p)/2π，式中，N也是單位體積內(nèi)的質(zhì)子數(shù)，λ是中子波長(zhǎng)，b是原子核散射系數(shù)，p是由于電子自旋引起的磁散射系數(shù)。從上面可以看出，折射率n兩種形式幾乎一致，對(duì)于同樣的波長(zhǎng)，中子δ(λn2N(b±p)/2π)比X射線的δ值小一個(gè)量級(jí)。盡管1-δ和1的差值只有10-6，但當(dāng)使用非常小的λ值時(shí)，即使是不太大的厚度或密度的變化，也可能產(chǎn)生相當(dāng)大的位相畸變。如果采用相干光或部分相干光通過(guò)物體時(shí)，除了吸收以外，還要產(chǎn)生位相變化，即發(fā)生波面的畸變。這種波面畸變導(dǎo)致部分波面的傳播方向發(fā)生變化，使波面重疊而形成干涉，這樣，位相變化轉(zhuǎn)化成強(qiáng)度變化，這是相襯成像的物理基礎(chǔ)，也是相襯層析的物理基礎(chǔ)，更為重要的是，這種圖像不經(jīng)任何重構(gòu)，可直接獲得位相變化圖像，這是相襯和全息的根本區(qū)別。
2000年，B.E.Allman等人完成了一個(gè)中子相襯的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。從中子源發(fā)出的中子束1經(jīng)針孔以后，變成一個(gè)球面波入射到樣品3上，在距樣品3的1.8米處，放置一探測(cè)器5，就可以獲得樣品3的位相襯度成像[參見(jiàn)在先技術(shù)B.E.Allman等Nature 2000，408，158]。
這個(gè)裝置的最大缺點(diǎn)是由于各種散射波以及透射波的干擾，嚴(yán)重影響中子相襯成像的襯度及分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述在先技術(shù)所存在的缺點(diǎn)，提供一種高分辨率中子衍射增強(qiáng)成像裝置，以消除中子和核相互作用時(shí)所產(chǎn)生的散射噪音以及直接透過(guò)的中子干擾，提高中子相襯成像的襯度及分辨率。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種高分辨率中子衍射增強(qiáng)成像裝置，包含準(zhǔn)直的中子束和探測(cè)器，其特征是在所述準(zhǔn)直的中子束的前進(jìn)方向設(shè)有單色器，該單色器與中子束成掠入射角θ，與該單色器平行地放置一分析器，該分析器所衍射的中子束方向是所述的探測(cè)器，在該探測(cè)器所轉(zhuǎn)換的可見(jiàn)光光軸上成45°地放置一鋁反射鏡，在該鋁反射鏡的反射光路上有CCD相機(jī)，該CCD相機(jī)的輸出端接一顯示器，所述的探測(cè)器、鋁反射鏡和CCD相機(jī)被密閉地裝在一暗箱中。
本實(shí)用新型的工作過(guò)程如下將待測(cè)樣品放在單色器和分析器之間，被導(dǎo)管準(zhǔn)直后的中子束入射到單色器上，單色化以后，入射到放置在中子束前進(jìn)方向的待測(cè)樣品上，從待測(cè)樣品出射的中子束進(jìn)入到與單色器相互平行放置的分析器上，被分析器衍射的中子束進(jìn)入到探測(cè)器中并轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光，在與光軸成45°的方向上，設(shè)置一鋁反射鏡。該鋁反射鏡的作用是將可見(jiàn)光轉(zhuǎn)變90°，并射向CCD接收器，從顯示器上讀出信號(hào)。
所說(shuō)的中子源是從裂變反應(yīng)堆中子源輻射并經(jīng)準(zhǔn)直器出射的中子。該裂變反應(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，并由一個(gè)具有矩形或圓形截面的鋼盒或鋼筒準(zhǔn)直，從準(zhǔn)直器中出射的中子，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，獲得準(zhǔn)平行中子束。
所說(shuō)的單色器是一塊單晶鋁或銅，準(zhǔn)平行入射的中子束和單色器成掠入射角θ時(shí)，產(chǎn)生布拉格反射，產(chǎn)生一單色中子束。
所說(shuō)的樣品是一個(gè)待測(cè)的對(duì)中子透射的材料。
所說(shuō)的分析器是一塊和單色器同樣材料的單晶鋁或銅單晶，其作用相當(dāng)于一個(gè)寬帶濾波器，它能濾去中子和樣品相互作用時(shí)所產(chǎn)生的各種散射。
所說(shuō)的探測(cè)器是一個(gè)中子閃爍體，為ZnS(Ag)-LiF。由于中子在物質(zhì)中不能直接引起原子的電離，沒(méi)有電流輸出，所以本實(shí)用新型中采用ZnS(Ag)-LiF。樣品中產(chǎn)生的衍射中子束，垂直入射到閃爍體的屏上，每一個(gè)中子產(chǎn)生級(jí)聯(lián)可見(jiàn)光子。
所說(shuō)的鋁反射鏡用來(lái)把閃爍體產(chǎn)生的可見(jiàn)光反射到接收器CCD相機(jī)上，CCD相機(jī)為商業(yè)用CCD。
所說(shuō)的顯示器是用來(lái)將CCD接收到的信號(hào)顯示出來(lái)。
所說(shuō)的暗箱是用來(lái)屏蔽外界雜散光。
本實(shí)用新型的技術(shù)效果如下本實(shí)用新型的高分辨率中子衍射增強(qiáng)成像裝置，采用了一個(gè)單色器將中子進(jìn)行色散，當(dāng)準(zhǔn)平行的中子束照射到待測(cè)樣品上時(shí)，中子束中攜帶有樣品信息，同時(shí)也產(chǎn)生散射，這種散射波與衍射波混在一起，如果采取類同軸全息相襯成像方法的話，勢(shì)必信噪比低，因此本實(shí)用新型是在樣品后又放置一個(gè)分析器，這個(gè)分析器與單色器平行。分析器的作用是將散射波濾掉，因此在接收器上接收到的僅是樣品位相信息，從而保證高的信噪比、高的襯度和高的分辨率。與在先技術(shù)相比本實(shí)用新型的高分辨率中子衍射增強(qiáng)成像裝置及方法，由于采用了一個(gè)分析器，可以濾去中子的散射波與透射波，可以提高信噪比、襯度和分辨率。


圖1為在先技術(shù)中中子相襯成像裝置示意圖。
圖2為本實(shí)用新型的高分辨率中子衍射增強(qiáng)成像裝置示意圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖2，圖2是本實(shí)用新型的高分辨率中子衍射增強(qiáng)成像裝置示意圖，如圖2所示，本實(shí)用新型的高分辨率中子衍射增強(qiáng)成像裝置由9部分組成在準(zhǔn)直的中子束1的前進(jìn)方向設(shè)有單色器2，該單色器2與中子束1成掠入射角θ，與該單色器2平行地放置分析器4，該分析器4所衍射的中子束方向是所述的探測(cè)器5，在該探測(cè)器5所轉(zhuǎn)換的可見(jiàn)光光軸上成45°地放置一鋁反射鏡6，在該鋁反射鏡6的反射光路上有CCD相機(jī)7，該CCD相機(jī)7的輸出端接一顯示器8，所述的探測(cè)器5、鋁反射鏡6和CCD相機(jī)7被密閉地裝在一暗箱9中。
所說(shuō)的準(zhǔn)直中子束1是一個(gè)裂變反應(yīng)堆和一個(gè)中子準(zhǔn)直器，波長(zhǎng)為0.4nm。
所說(shuō)的單色器2是一塊單晶鋁，也可以是單晶銅。
所說(shuō)的待測(cè)樣品3是一個(gè)生物樣品，它對(duì)中子束是透明的。
所說(shuō)的分析器4是一塊單晶鋁，也可以是單晶銅，它和單色器的材料完全一樣。
所說(shuō)的探測(cè)器5是一塊閃爍體，材料為ZnS-LiF，市場(chǎng)有售。
所說(shuō)的鋁反射鏡6是一塊鍍鋁的鏡子。
所說(shuō)的CCD相機(jī)7是一臺(tái)市售的對(duì)可見(jiàn)光靈敏的電荷耦合器。
所說(shuō)的顯示器8是用來(lái)讀出CCD相機(jī)接收到的信號(hào)。
所說(shuō)的暗箱9是用來(lái)屏蔽雜散光，避免對(duì)CCD干擾。
本實(shí)用新型的高分辨率中子衍射增強(qiáng)成像裝置的工作過(guò)程是當(dāng)來(lái)自準(zhǔn)直的中子束1的中子經(jīng)單色器2色散以后，照射到待測(cè)樣品3中，中子與待測(cè)樣品3相互作用以后，部分中子被折射、散射、吸收和透射，照射到分析器4上去，而只有其中被待測(cè)樣品3折射的那部分中子含有樣品的信息，并經(jīng)分析器4衍射到探測(cè)器5上去，而其余部分將被濾掉，從而提高信噪比、襯度和分辨率。
這種高分辨率中子衍射增強(qiáng)成像裝置，在生物醫(yī)學(xué)、材料結(jié)構(gòu)、航天航空、宇宙化學(xué)、兵器工業(yè)、考古等方面有著廣泛的應(yīng)用。
權(quán)利要求1.一種高分辨率中子衍射增強(qiáng)成像裝置，包含中子束源(1)和探測(cè)器(5)，其特征是在所述中子束源(1)的準(zhǔn)直的中子束設(shè)有單色器(2)，該單色器(2)與中子束成掠入射角θ，與該單色器(2)平行地放置分析器(4)，該分析器(4)所衍射的中子束方向是所述的探測(cè)器(5)，在該探測(cè)器(5)所轉(zhuǎn)換的可見(jiàn)光光軸上成45°地放置一鋁反射鏡(6)，在該鋁反射鏡(6)的反射光路上有CCD相機(jī)(7)，該CCD相機(jī)(7)的輸出端接一顯示器(8)，所述的探測(cè)器(5)、鋁反射鏡(6)和CCD相機(jī)(7)被密閉地裝在一暗箱(9)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率中子衍射增強(qiáng)成像裝置，其特征在于所述的單色器(2)和分析器(4)都是一塊單晶鋁或單晶銅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率中子衍射增強(qiáng)成像裝置，其特征在于所述的探測(cè)器(5)是一個(gè)中子閃爍體。
專利摘要一種高分辨率中子衍射增強(qiáng)成像裝置，包含準(zhǔn)直的中子束和探測(cè)器，其特征是在所述準(zhǔn)直的中子束的前進(jìn)方向設(shè)有單色器，該單色器與中子束成掠入射角θ，與該單色器平行地放置一分析器，該分析器所衍射的中子束方向是所述的探測(cè)器，在該探測(cè)器所轉(zhuǎn)換的可見(jiàn)光光軸上成45°地放置一鋁反射鏡，在該鋁反射鏡的反射光路上有CCD相機(jī)，該CCD相機(jī)的輸出端接一顯示器，所述的探測(cè)器、鋁反射鏡和CCD相機(jī)被密閉地裝在一暗箱中。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是可以消除中子和核相互作用時(shí)所產(chǎn)生的散射噪音以及直接透過(guò)的中子干擾，提高中子相襯成像的襯度及分辨率。
文檔編號(hào)G01N23/20GK2739624SQ20042009098
公開(kāi)日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2004年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月13日
發(fā)明者陳建文, 高鴻奕, 李儒新, 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