專利名稱：基于飛行時(shí)間法的快中子成像方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及快中子成像技術(shù)，具體涉及一種基于飛行時(shí)間法的快中子成像方法及系統(tǒng)裝置。
背景技術(shù)：
快中子成像技術(shù)作為一種重要的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，是X射線成像和熱中子成像的重要補(bǔ)充手段，是當(dāng)前射線成像技術(shù)研究熱門。國(guó)外研究的重點(diǎn)集中在提高中子源強(qiáng)，發(fā)展新的成像技術(shù)等方面。美國(guó)勞倫斯利沃莫爾實(shí)驗(yàn)室采用RFQ加速器，無(wú)窗氣體靶，DD中子產(chǎn)額達(dá)到1012n/s，對(duì)面密度超過(guò)lOOg/cm2的大物件位置分辨率達(dá)到毫米量級(jí)。阿貢實(shí)驗(yàn)室快中子成像系統(tǒng)可分辨1.25厘米厚合金體內(nèi)部直徑約0.8毫米的含水缺陷?？熘凶映上穹椒ǔ尸F(xiàn)多樣化，不僅有透射衰減法，還發(fā)展了散射法，快中子共振成像法等，如德國(guó)PTB快中子成像設(shè)備利用9Be (d, η)反應(yīng)中子源和“共振”法，選取不同能量中子對(duì)樣品成像，可以分辨樣品中多種核素的密度分布信息。還有多種射線同時(shí)成像方法，快中子成像和Υ/x成像同時(shí)進(jìn)行，再經(jīng)過(guò)圖像重建得到清晰的三維照片，彌補(bǔ)了一種射線造成的疏漏。澳大利亞CSIRO開(kāi)發(fā)了用于海關(guān)安檢的快中子-Y成像系統(tǒng)的樣機(jī)?？熘凶映上窦夹g(shù)雖然能夠應(yīng)用于安檢、國(guó)防、工業(yè)等方面，但一直以來(lái)它得不到太廣泛的普及，甚至沒(méi)有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這主要有兩方面問(wèn)題:缺少?gòu)?qiáng)流中子源；缺少兼顧空間分辨率、探測(cè)效率和高信噪比的測(cè)量手段。現(xiàn)有快中子成像研究報(bào)告表明一般用閃爍體轉(zhuǎn)換屏?xí)r最好的位置分辨率能達(dá)到毫米量級(jí)左右，但此時(shí)探測(cè)效率一般小于3%，成像原理限制了探測(cè)器厚度，加厚 探測(cè)器會(huì)使位置分辨率降低；如果固有位置分辨達(dá)到10 100微米量級(jí)(基于MICROMEGAS/GEM技術(shù))，探測(cè)效率就更低，一般低于千分之一。同時(shí)對(duì)于厚樣品測(cè)量，散射中子和本底成分占大多數(shù)，傳統(tǒng)成像方法雖有觸及，遠(yuǎn)談不上解決?？傊壳翱熘凶映上窦夹g(shù)缺少一種好的測(cè)量手段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種基于飛行時(shí)間法的快中子成像方法及系統(tǒng)，提出采用塑閃探測(cè)器陣列配合飛行時(shí)間法的方式解決現(xiàn)有條件下空間分辨率低、探測(cè)效率低和信噪比低的成像問(wèn)題。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種基于飛行時(shí)間法的快中子成像技術(shù)，采用多塊閃爍體單元組成閃爍體陣列，使閃爍體陣列與位置靈敏光電倍增管進(jìn)行耦合，將耦合后的整個(gè)探測(cè)器設(shè)置在距離中子源較遠(yuǎn)位置，將樣品設(shè)置在距離中子源較近位置，在準(zhǔn)直器的外面；利用中子飛行時(shí)間方法進(jìn)行測(cè)量，得到每個(gè)閃爍體單元探測(cè)器的飛行時(shí)間譜，對(duì)每個(gè)像元的能譜作卡閾處理，即通過(guò)選取時(shí)間窗剔除干擾因素得到每個(gè)閃爍體單元探測(cè)器上的只是源中子起作用的有效計(jì)數(shù)，將各閃爍體單元探測(cè)器上的有效計(jì)數(shù)按陣列排列后得到二維圖像?；陲w行時(shí)間法的快中子成像系統(tǒng)，包括置于屏蔽墻內(nèi)的中子源，屏蔽墻上設(shè)有準(zhǔn)直孔道，在正對(duì)所述準(zhǔn)直孔道出口較近位置設(shè)有樣品，在正對(duì)所述準(zhǔn)直孔道出口較遠(yuǎn)位置設(shè)有閃爍體探測(cè)器，其中，所述的閃爍體探測(cè)器包括由多塊閃爍體單元組成閃爍體陣列，閃爍體陣列與位置靈敏光電倍增管耦合，每個(gè)閃爍體單元的陽(yáng)極信號(hào)輸出端與數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)相連接。進(jìn)一步，如上所述的基于飛行時(shí)間法的快中子成像系統(tǒng)，其中所述的閃爍體單元為3mmX3mmX IOOmm的立方體,一個(gè)3mmX3mm的面與位置靈敏光電倍增管稱合,其余5個(gè)
面用鋁涂層覆蓋或噴鋁膜。進(jìn)一步，如上所述的基于飛行時(shí)間法的快中子成像系統(tǒng)，其中，使用小尺寸位置靈敏光電倍增管或者二極管作為位置靈敏探測(cè)器組成陣列。進(jìn)一步，如上所述的基于飛行時(shí)間法的快中子成像系統(tǒng)，其中，所述的樣品靶面切線方向同準(zhǔn)直器中軸線方向平行的方式設(shè)置。進(jìn)一步，如上所述的基于飛行時(shí)間法的快中子成像系統(tǒng)，其中，探測(cè)器輸出快信號(hào)被數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成飛行時(shí)間信號(hào)，并通過(guò)可以調(diào)節(jié)的甄別閾剔除干擾信號(hào)，然后通過(guò)地址編碼器確定探測(cè)器的位置，從而實(shí)現(xiàn)二維成像。本發(fā)明的有益效果如下:本發(fā)明的閃爍體探測(cè)器采用探測(cè)器陣列的設(shè)計(jì)方式，克服了一整塊轉(zhuǎn)換屏探測(cè)器固有的不清晰度問(wèn)題，而且還可以加長(zhǎng)探測(cè)器的長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)了提高探測(cè)效率的效果；飛行時(shí)間法測(cè)量方式可以有效地去除樣品散射中子、環(huán)境漫散射本底和Y本底，提高了信噪比；按照幾何相似三角形成比例放大的原理，足夠長(zhǎng)的飛行距離可以彌補(bǔ)每個(gè)像元尺寸大帶來(lái)的位置分辨不佳的缺點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明基于飛行時(shí)間法的快中子成像系統(tǒng)原理示意 圖2為本發(fā)明位置分辨率的幾何放大原理示意 圖3為探測(cè)器陣列單元的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意 圖4為實(shí)驗(yàn)測(cè)量14MeV中子飛行時(shí)間譜。圖中，1.脈沖中子源2.復(fù)合屏蔽體(重水泥墻)3.準(zhǔn)直孔道4.待測(cè)樣品及支架5.閃爍體陣列6.位置靈敏光電倍增管和后端電子學(xué)元件。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。本發(fā)明提出采用多塊小閃爍體組成陣列探測(cè)器，把閃爍體陣列同位置靈敏光電倍增管作耦合，把探測(cè)器放在距離中子源較遠(yuǎn)位置，樣品放在距離中子源較近位置，測(cè)量得到每一個(gè)探測(cè)單元的飛行時(shí)間譜，再設(shè)置甄別閾剔除干擾因素得到每個(gè)探測(cè)器上的有效計(jì)數(shù)，有效計(jì)數(shù)按陣列排列后就得到只有源中子起作用的二維圖像，起到有效抑制本底提高信噪比的目的。同時(shí)用單獨(dú)的閃爍體做像素單元可以提高探測(cè)效率，若用10厘米長(zhǎng)的閃爍體對(duì)14MeV中子作探測(cè)，效率可超過(guò)20%，這是其他方法所無(wú)法達(dá)到的。長(zhǎng)距離測(cè)量不但可以有效利用飛行時(shí)間法(可參照《原子核物理實(shí)驗(yàn)方法》，原子能出版社，第三版，P316)，還可以利用幾何原理起到放大作用而提高位置分辨率，實(shí)現(xiàn)毫米甚至亞毫米量級(jí)的位置分辨。
基于飛行時(shí)間法的快中子成像系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，脈沖中子源I屏蔽于I米厚的重水泥墻2內(nèi)，利用高壓倍加器準(zhǔn)直孔道3實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直中子束出射，樣品4放在距離中子源較近位置，樣品靶面切線方向同準(zhǔn)直器中軸線方向平行的方式設(shè)置。探測(cè)器為閃爍體陣列5，閃爍體陣列5與位置靈敏光電倍增管6耦合，位于距離中子源較遠(yuǎn)位，使用小尺寸位置靈敏光電倍增管或者二極管組成陣列。源中子打到樣品上，有部分源中子會(huì)與樣品作用而損失能量改變方向或者多次作用，還有部分未作用中子繼續(xù)直線飛行至被探測(cè)到為止。此時(shí)由閃爍探測(cè)器給出陽(yáng)極信號(hào)，同加速器信號(hào)符合后給出中子飛行時(shí)間譜。中子時(shí)間譜很復(fù)雜，既包含源中子信息，也有樣品散射中子信息還有周圍環(huán)境漫散射成分和伴隨Y。如圖4實(shí)驗(yàn)測(cè)量所示，通過(guò)譜分析確定其中探測(cè)器像元的源中子峰計(jì)數(shù)，這表達(dá)了它這一像素點(diǎn)接受到的源中子計(jì)數(shù)，從而大大消除了此點(diǎn)本底的干擾。推廣到二維探測(cè)器陣列，可得到高信噪比的圖像，因此該方法有能力測(cè)量大厚物體內(nèi)部的裂痕。本實(shí)施例中，整個(gè)探測(cè)器由閃爍體陣列組成，每個(gè)閃爍體單元為立方體，尺寸為3mmX3mmX 100mm,留下一個(gè)3mmX 3mm的面同光電倍增管耦合，其他5面用薄鋁箔覆蓋或噴鋁膜。每個(gè)這樣做有幾點(diǎn)好處:不會(huì)有相鄰探測(cè)單元串光；不會(huì)因?yàn)槠梁褚鸸逃胁磺逦葐?wèn)題；可增加探測(cè)閃爍體單元厚度從而提高探測(cè)效率。每塊位置靈敏光電倍增管內(nèi)可以形成16X16=256個(gè)像元的陣列。閃爍體陣列壓在一個(gè)薄鋁皮框架內(nèi)，起到固定安裝作用，陣列的兩個(gè)小面(像元3mmX3mm面)是空的，接受中子端會(huì)降低散射影響，不鍍鋁箔面同光電倍增管用硅油直接耦合，并用支架固定陣列和光電倍增管。為了提高位置分辨，按照如圖1方式試驗(yàn)，其原理如圖2所示的等腰三角形。因?yàn)閴w準(zhǔn)直器的準(zhǔn)直效果很好，樣品距離中子源相對(duì)較遠(yuǎn)，近似認(rèn)為是點(diǎn)源出射。在圖2中，樣品4距離源設(shè)為I米，探測(cè)器陣列5到源的距離為6米，按照相似三角形原理，樣品處的裂痕在探測(cè)器處測(cè)量尺寸放大6倍，每個(gè)閃爍單元尺寸是3毫米，所以可以測(cè)量到0.5毫米的裂痕。

本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集方式采用專用電子學(xué)完成，如圖3所示，由于要用到飛行時(shí)間方法，所以后端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需用時(shí)幅測(cè)量電路，并且設(shè)置閾甄別器，同時(shí)由地址編碼器給出探測(cè)單元編號(hào)。具體思路如下:每個(gè)閃爍體單元輸出陽(yáng)極信號(hào)進(jìn)入甄別器，選擇合適的探測(cè)閾輸出，每個(gè)信號(hào)輸出兩個(gè)邏輯信號(hào)，其中一個(gè)送給編碼器做地址編碼，另一個(gè)給“邏輯或”單元實(shí)現(xiàn)多組信號(hào)相加，相加后信號(hào)給時(shí)幅轉(zhuǎn)換器作開(kāi)始信號(hào)，時(shí)幅轉(zhuǎn)換器停止信號(hào)由加速器脈沖束拾取信號(hào)給出，從而得到多組探測(cè)器“或”的中子飛行時(shí)間譜，其幅度表示時(shí)間，由時(shí)幅轉(zhuǎn)換器輸出結(jié)果并做后期軟件卡閾處理，得到只有源中子飛行時(shí)間譜事件信息。位置編碼信息由編碼器給出，配合飛行時(shí)間譜卡閾后的計(jì)數(shù)信息，從而實(shí)現(xiàn)二維探測(cè)。數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的線路結(jié)構(gòu)如圖3所示。因?yàn)樘綔y(cè)距離遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)死時(shí)間過(guò)大的現(xiàn)象，按源強(qiáng)是IOltVs算，6米遠(yuǎn)外探測(cè)效率20%，每個(gè)探測(cè)器每秒14MeV中子計(jì)數(shù)率約4Hz，按照信噪比1:4計(jì)算，每個(gè)探測(cè)單元每秒20Hz計(jì)數(shù)率。全部探測(cè)器加起來(lái)約5000Hz，后端電子學(xué)足夠處理。因?yàn)槔蔑w行時(shí)間法后信噪比將大大提高，每個(gè)探測(cè)單元統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)只需幾百就可滿足誤差需要，假設(shè)每個(gè)探測(cè)單元有效計(jì)數(shù)率是4Hz，只需要幾分鐘就可以測(cè)試完成一組。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對(duì)本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖 包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于飛行時(shí)間法的快中子成像技術(shù)，其特征在于:采用多塊閃爍體單元組成閃爍體陣列，使閃爍體陣列與位置靈敏光電倍增管進(jìn)行耦合，將耦合后的整個(gè)探測(cè)器設(shè)置在距離中子源較遠(yuǎn)位置，將樣品設(shè)置在距離中子源較近位置，利用中子飛行時(shí)間方法進(jìn)行測(cè)量，得到每個(gè)閃爍體單元探測(cè)器的飛行時(shí)間譜，對(duì)每個(gè)像元的能譜作卡閾處理，通過(guò)選取時(shí)間窗剔除干擾因素得到每個(gè)閃爍體單元探測(cè)器上的有效計(jì)數(shù)，將各閃爍體單元探測(cè)器上的有效計(jì)數(shù)按陣列排列后得到只是源中子起作用的二維圖像。
2.一種基于飛行時(shí)間法的快中子成像系統(tǒng)，包括置于屏蔽墻內(nèi)的中子源，屏蔽墻上設(shè)有準(zhǔn)直孔道，在正對(duì)所述準(zhǔn)直孔道出口較近位置設(shè)有樣品，在正對(duì)所述準(zhǔn)直孔道出口較遠(yuǎn)位置設(shè)有閃爍體探測(cè)器，其特征在于:所述的閃爍體探測(cè)器包括由多塊閃爍體單元組成閃爍體陣 列，閃爍體陣列與位置靈敏探測(cè)器耦合，每個(gè)閃爍體單元探測(cè)器的陽(yáng)極信號(hào)輸出端與數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)相連接。
3.如權(quán)利要求2所述的基于飛行時(shí)間法的快中子成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的閃爍體單元為3mmX3mmX IOOmm的立方體，一個(gè)3mmX3mm的面與位置靈敏探測(cè)器稱合,其余5個(gè)面用鋁箔覆蓋或噴鋁膜。
4.如權(quán)利要求2或3所述的基于飛行時(shí)間法的快中子成像系統(tǒng)，其特征在于:使用小尺寸位置靈敏光電倍增管或者二極管作為位置靈敏探測(cè)器組成陣列。
5.如權(quán)利要求2所述的基于飛行時(shí)間法的快中子成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的樣品靶面切線方向同準(zhǔn)直器中軸線方向平行的方式設(shè)置。
6.如權(quán)利要求2所述的基于飛行時(shí)間法的快中子成像系統(tǒng)，其特征在于:探測(cè)器輸出快信號(hào)被數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成飛行時(shí)間信號(hào)，并通過(guò)可以調(diào)節(jié)的甄別閾剔除干擾信號(hào)，然后通過(guò)地址編碼器確定探測(cè)器的位置，從而實(shí)現(xiàn)二維成像。
全文摘要
本發(fā)明涉及快中子成像技術(shù)，具體涉及一種基于飛行時(shí)間法的快中子成像方法及系統(tǒng)。該方法采用多塊閃爍體單元組成閃爍體陣列，使閃爍體陣列與位置靈敏探測(cè)器進(jìn)行耦合，將耦合后的整個(gè)探測(cè)器陣列設(shè)置在距離中子源較遠(yuǎn)位置，將樣品設(shè)置在距離中子源較近位置，利用中子飛行時(shí)間方法進(jìn)行測(cè)量，再利用符合方法剔除干擾因素得到每個(gè)閃爍體單元探測(cè)器上的有效計(jì)數(shù)，將各閃爍體單元探測(cè)器上的有效計(jì)數(shù)按陣列排列后得到是只有源中子起作用的二維圖像。本發(fā)明采用探測(cè)器陣列的設(shè)計(jì)方式，提高了探測(cè)效率；飛行時(shí)間法測(cè)量方式可以有效地去除樣品散射中子、環(huán)境漫散射本底和γ本底，提高了信噪比。
文檔編號(hào)G01N23/05GK103245680SQ201310166449
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月8日
發(fā)明者鮑杰, 張艷萍, 張奇瑋, 唐洪慶, 周祖英, 侯龍, 阮錫超, 聶陽(yáng)波, 劉世龍, 王朝暉 申請(qǐng)人:中國(guó)原子能科學(xué)研究院