基於飛行時間法的快中子成像方法及系統的製作方法

2023-08-04 04:04:41

專利名稱：基於飛行時間法的快中子成像方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及快中子成像技術，具體涉及一種基於飛行時間法的快中子成像方法及系統裝置。
背景技術：
快中子成像技術作為一種重要的無損檢測技術，是X射線成像和熱中子成像的重要補充手段，是當前射線成像技術研究熱門。國外研究的重點集中在提高中子源強，發展新的成像技術等方面。美國勞倫斯利沃莫爾實驗室採用RFQ加速器，無窗氣體靶，DD中子產額達到1012n/s，對面密度超過lOOg/cm2的大物件位置解析度達到毫米量級。阿貢實驗室快中子成像系統可分辨1.25釐米厚合金體內部直徑約0.8毫米的含水缺陷。快中子成像方法呈現多樣化，不僅有透射衰減法，還發展了散射法，快中子共振成像法等，如德國PTB快中子成像設備利用9Be (d, η)反應中子源和「共振」法，選取不同能量中子對樣品成像，可以分辨樣品中多種核素的密度分布信息。還有多種射線同時成像方法，快中子成像和Υ/x成像同時進行，再經過圖像重建得到清晰的三維照片，彌補了一種射線造成的疏漏。澳大利亞CSIRO開發了用於海關安檢的快中子-Y成像系統的樣機。快中子成像技術雖然能夠應用於安檢、國防、工業等方面，但一直以來它得不到太廣泛的普及，甚至沒有工業標準。這主要有兩方面問題:缺少強流中子源；缺少兼顧空間解析度、探測效率和高信噪比的測量手段。現有快中子成像研究報告表明一般用閃爍體轉換屏時最好的位置解析度能達到毫米量級左右，但此時探測效率一般小於3%，成像原理限制了探測器厚度，加厚 探測器會使位置解析度降低；如果固有位置分辨達到10 100微米量級(基於MICROMEGAS/GEM技術)，探測效率就更低，一般低於千分之一。同時對於厚樣品測量，散射中子和本底成分佔大多數，傳統成像方法雖有觸及，遠談不上解決。總之目前快中子成像技術缺少一種好的測量手段。

發明內容
本發明目的是針對現有技術的缺陷，提出一種基於飛行時間法的快中子成像方法及系統，提出採用塑閃探測器陣列配合飛行時間法的方式解決現有條件下空間解析度低、探測效率低和信噪比低的成像問題。本發明的技術方案如下:一種基於飛行時間法的快中子成像技術，採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行耦合，將耦合後的整個探測器設置在距離中子源較遠位置，將樣品設置在距離中子源較近位置，在準直器的外面；利用中子飛行時間方法進行測量，得到每個閃爍體單元探測器的飛行時間譜，對每個像元的能譜作卡閾處理，即通過選取時間窗剔除幹擾因素得到每個閃爍體單元探測器上的只是源中子起作用的有效計數，將各閃爍體單元探測器上的有效計數按陣列排列後得到二維圖像。基於飛行時間法的快中子成像系統，包括置於屏蔽牆內的中子源，屏蔽牆上設有準直孔道，在正對所述準直孔道出口較近位置設有樣品，在正對所述準直孔道出口較遠位置設有閃爍體探測器，其中，所述的閃爍體探測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，每個閃爍體單元的陽極信號輸出端與數據採集和處理系統相連接。進一步，如上所述的基於飛行時間法的快中子成像系統，其中所述的閃爍體單元為3mmX3mmX IOOmm的立方體,一個3mmX3mm的面與位置靈敏光電倍增管稱合,其餘5個
面用鋁塗層覆蓋或噴鋁膜。進一步，如上所述的基於飛行時間法的快中子成像系統，其中，使用小尺寸位置靈敏光電倍增管或者二極體作為位置靈敏探測器組成陣列。進一步，如上所述的基於飛行時間法的快中子成像系統，其中，所述的樣品靶面切線方向同準直器中軸線方向平行的方式設置。進一步，如上所述的基於飛行時間法的快中子成像系統，其中，探測器輸出快信號被數據採集和處理系統轉換成飛行時間信號，並通過可以調節的甄別閾剔除幹擾信號，然後通過地址編碼器確定探測器的位置，從而實現二維成像。本發明的有益效果如下:本發明的閃爍體探測器採用探測器陣列的設計方式，克服了一整塊轉換屏探測器固有的不清晰度問題，而且還可以加長探測器的長度，實現了提高探測效率的效果；飛行時間法測量方式可以有效地去除樣品散射中子、環境漫散射本底和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，足夠長的飛行距離可以彌補每個像元尺寸大帶來的位置分辨不佳的缺點。


圖1為本發明基於飛行時間法的快中子成像系統原理示意 圖2為本發明位置解析度的幾何放大原理示意 圖3為探測器陣列單元的數據採集系統示意 圖4為實驗測量14MeV中子飛行時間譜。圖中，1.脈衝中子源2.複合屏蔽體(重水泥牆)3.準直孔道4.待測樣品及支架5.閃爍體陣列6.位置靈敏光電倍增管和後端電子學元件。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。本發明提出採用多塊小閃爍體組成陣列探測器，把閃爍體陣列同位置靈敏光電倍增管作耦合，把探測器放在距離中子源較遠位置，樣品放在距離中子源較近位置，測量得到每一個探測單元的飛行時間譜，再設置甄別閾剔除幹擾因素得到每個探測器上的有效計數，有效計數按陣列排列後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。同時用單獨的閃爍體做像素單元可以提高探測效率，若用10釐米長的閃爍體對14MeV中子作探測，效率可超過20%，這是其他方法所無法達到的。長距離測量不但可以有效利用飛行時間法(可參照《原子核物理實驗方法》，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解析度，實現毫米甚至亞毫米量級的位置分辨。
基於飛行時間法的快中子成像系統的基本結構如圖1所示，脈衝中子源I屏蔽於I米厚的重水泥牆2內，利用高壓倍加器準直孔道3實現準直中子束出射，樣品4放在距離中子源較近位置，樣品靶面切線方向同準直器中軸線方向平行的方式設置。探測器為閃爍體陣列5，閃爍體陣列5與位置靈敏光電倍增管6耦合，位於距離中子源較遠位，使用小尺寸位置靈敏光電倍增管或者二極體組成陣列。源中子打到樣品上，有部分源中子會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直線飛行至被探測到為止。此時由閃爍探測器給出陽極信號，同加速器信號符合後給出中子飛行時間譜。中子時間譜很複雜，既包含源中子信息，也有樣品散射中子信息還有周圍環境漫散射成分和伴隨Y。如圖4實驗測量所示，通過譜分析確定其中探測器像元的源中子峰計數，這表達了它這一像素點接受到的源中子計數，從而大大消除了此點本底的幹擾。推廣到二維探測器陣列，可得到高信噪比的圖像，因此該方法有能力測量大厚物體內部的裂痕。本實施例中，整個探測器由閃爍體陣列組成，每個閃爍體單元為立方體，尺寸為3mmX3mmX 100mm,留下一個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。每個這樣做有幾點好處:不會有相鄰探測單元串光；不會因為屏厚引起固有不清晰度問題；可增加探測閃爍體單元厚度從而提高探測效率。每塊位置靈敏光電倍增管內可以形成16X16=256個像元的陣列。閃爍體陣列壓在一個薄鋁皮框架內，起到固定安裝作用，陣列的兩個小面(像元3mmX3mm面)是空的，接受中子端會降低散射影響，不鍍鋁箔面同光電倍增管用矽油直接耦合，並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，其原理如圖2所示的等腰三角形。因為牆體準直器的準直效果很好，樣品距離中子源相對較遠，近似認為是點源出射。在圖2中，樣品4距離源設為I米，探測器陣列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器處測量尺寸放大6倍，每個閃爍單元尺寸是3毫米，所以可以測量到0.5毫米的裂痕。

本發明的數據採集方式採用專用電子學完成，如圖3所示，由於要用到飛行時間方法，所以後端數據採集系統需用時幅測量電路，並且設置閾甄別器，同時由地址編碼器給出探測單元編號。具體思路如下:每個閃爍體單元輸出陽極信號進入甄別器，選擇合適的探測閾輸出，每個信號輸出兩個邏輯信號，其中一個送給編碼器做地址編碼，另一個給「邏輯或」單元實現多組信號相加，相加後信號給時幅轉換器作開始信號，時幅轉換器停止信號由加速器脈衝束拾取信號給出，從而得到多組探測器「或」的中子飛行時間譜，其幅度表示時間，由時幅轉換器輸出結果並做後期軟體卡閾處理，得到只有源中子飛行時間譜事件信息。位置編碼信息由編碼器給出，配合飛行時間譜卡閾後的計數信息，從而實現二維探測。數據採集和處理系統的線路結構如圖3所示。因為探測距離遠不會出現死時間過大的現象，按源強是IOltVs算，6米遠外探測效率20%，每個探測器每秒14MeV中子計數率約4Hz，按照信噪比1:4計算，每個探測單元每秒20Hz計數率。全部探測器加起來約5000Hz，後端電子學足夠處理。因為利用飛行時間法後信噪比將大大提高，每個探測單元統計計數只需幾百就可滿足誤差需要，假設每個探測單元有效計數率是4Hz，只需要幾分鐘就可以測試完成一組。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若對本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其同等技術的範圍之內，則本發明也意圖 包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種基於飛行時間法的快中子成像技術，其特徵在於:採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行耦合，將耦合後的整個探測器設置在距離中子源較遠位置，將樣品設置在距離中子源較近位置，利用中子飛行時間方法進行測量，得到每個閃爍體單元探測器的飛行時間譜，對每個像元的能譜作卡閾處理，通過選取時間窗剔除幹擾因素得到每個閃爍體單元探測器上的有效計數，將各閃爍體單元探測器上的有效計數按陣列排列後得到只是源中子起作用的二維圖像。
2.一種基於飛行時間法的快中子成像系統，包括置於屏蔽牆內的中子源，屏蔽牆上設有準直孔道，在正對所述準直孔道出口較近位置設有樣品，在正對所述準直孔道出口較遠位置設有閃爍體探測器，其特徵在於:所述的閃爍體探測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器耦合，每個閃爍體單元探測器的陽極信號輸出端與數據採集和處理系統相連接。
3.如權利要求2所述的基於飛行時間法的快中子成像系統，其特徵在於:所述的閃爍體單元為3mmX3mmX IOOmm的立方體，一個3mmX3mm的面與位置靈敏探測器稱合,其餘5個面用鋁箔覆蓋或噴鋁膜。
4.如權利要求2或3所述的基於飛行時間法的快中子成像系統，其特徵在於:使用小尺寸位置靈敏光電倍增管或者二極體作為位置靈敏探測器組成陣列。
5.如權利要求2所述的基於飛行時間法的快中子成像系統，其特徵在於:所述的樣品靶面切線方向同準直器中軸線方向平行的方式設置。
6.如權利要求2所述的基於飛行時間法的快中子成像系統，其特徵在於:探測器輸出快信號被數據採集和處理系統轉換成飛行時間信號，並通過可以調節的甄別閾剔除幹擾信號，然後通過地址編碼器確定探測器的位置，從而實現二維成像。
全文摘要
本發明涉及快中子成像技術，具體涉及一種基於飛行時間法的快中子成像方法及系統。該方法採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器進行耦合，將耦合後的整個探測器陣列設置在距離中子源較遠位置，將樣品設置在距離中子源較近位置，利用中子飛行時間方法進行測量，再利用符合方法剔除幹擾因素得到每個閃爍體單元探測器上的有效計數，將各閃爍體單元探測器上的有效計數按陣列排列後得到是只有源中子起作用的二維圖像。本發明採用探測器陣列的設計方式，提高了探測效率；飛行時間法測量方式可以有效地去除樣品散射中子、環境漫散射本底和γ本底，提高了信噪比。
文檔編號G01N23/05GK103245680SQ201310166449
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月8日 優先權日2013年5月8日
發明者鮑傑, 張豔萍, 張奇瑋, 唐洪慶, 周祖英, 侯龍, 阮錫超, 聶陽波, 劉世龍, 王朝暉 申請人:中國原子能科學研究院