中子顯微成像裝置的製作方法
2023-05-04 22:42:36
專利名稱：中子顯微成像裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型是關於一種中子顯微成像技術，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量，m0＝1.674920×10-24g，根據物質波動理論，由德布羅意公式可以得到中子的波長=81.8E]]>例如一個熱中子其能量E＝25meV，它的波長為0.181nm，該值接近於原子大小；又如一個共振中子E＝1MeV，它的波長λ＝2.86×10-5nm。通常探測儀器的解析度和它的波長成反比，因此，當用中子作為顯微鏡的照明源時，極限解析度為波長的1/2，足以觀察原子核內部的精細結構，可見其誘惑力是多麼大。
2.中子不帶電荷，因此，它射入物質時，不僅不與核外電子相互作用，不需要克服核庫侖力的障礙，因而即使是低能粒子，也能進入原子核內，引起各種核反應。
3.除了氫、鋰、硼等個別元素外，中子質量吸收係數遠比X射線小，特別是在重元素裡，中子的穿透能力很強，在輕元素裡，穿透能力較差，其行為正好與X射線相反。
X射線透射顯微術的襯度機制，是當X射線和物質相互作用時，在入射方向上，光子數減少並遵從比爾定律，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結合起來，對於超微細結構的研究、洞察自然界的奧秘，將提供一個有效的工具。
在先技術中，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，此儀器解析度最高為2μm，但它還不是一臺中子顯微成像裝置，不能觀察原子核內的精細結構。
本實用新型的具體結構是包括由屏蔽層10構成的屏蔽室11，內置有中子源1，在屏蔽室11內，由中子源1發射的中子束，首先經過長筒狀的中心軸線OO′與中子束中心束軸OO′重合置放的準直器2，經準直器2準直的中子束，到入射面與中子束中心束軸OO′的夾角α＝10°～20°置放的、並中點O′在中子束中心束軸OO′上的單色器3，經單色器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，經單色器3出射的單色中子束，經過狹縫4和波帶片5，將中子束聚焦在置放在樣品臺7上的待測樣品6上，待測樣品6產生的信號經正比計數器8變成電流信號，輸入到計算機9內進行重構處理。
所說的中子源1是裂變反應堆中子源，或者是加速器中子源。
其中，裂變反應堆中子源是把鈾和鈽等裂變材料作燃料，而以中子為媒介、維持可控鏈式裂變反應的裝置，稱為裂變反應堆，這種裝置可獲得高通量的中子輻射，可達1013～1020中子數/秒，可以長期運行，並且已研究出多種方法，來實現中子單色化。
其中加速器中子源採用各類加速器，加速帶電粒子去轟擊某些靶核，產生中子。中子的單色性取決於帶電粒子的單色性，因此，加速器中子源的最大優點是可產生單能中子。
所說的準直器2通常由一個具有矩形或圓形截面的鋼管或鋼筒構成，從準直器2中出射中子，其發散度等於孔徑和長度的比值，顯然只要縮小孔徑，增加長度，可以大大改善發散度，這樣做將損失出射中子的通量。
所說的單色器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，使不同波長的中子產生角色散進行單色化，其原理和光柵譜儀相類似。本實用新型的單色器3是由金屬晶體構成的，如由鉛晶體構成，或者由銅晶體構成，或者由鈹晶體構成。被單色器3反射的中子數N為N=2N1(EKT)e-E/KT2dcosR]]>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；E波長為λ的中子能量；θ布喇格角；d晶格常數；Rθ旋轉晶體積分反射率；K玻爾茲曼常數；T絕對溫度所說的狹縫4，在中子工作中，通常選鎘作為狹縫。因為，在已知的各種材料中，鎘對中子的透射係數最低，趨近於零，所以鎘是最佳候選者。
所說的波帶片5是一種衍射透鏡，可以看成是一個線密度沿徑向遞增的圓形光柵，利用它的效率較高的一級衍射，幾乎可以對所有波長的輻射成像。本實用新型中用的是菲涅爾波帶片，它是由一系列環帶組成，用於將中子聚焦成極細小的焦斑(焦斑小於5nm)，以便在待測樣品6上進行掃描。本實用新型中的聚焦元件波帶片，是用電子束製版製作的，解析度由最外環波帶寬度決定，目前的最高解析度已達5nm，通常是用鉛或鎘作材料。
樣品臺7可進行上下和左右平動，它可用壓電陶瓷控制，待測樣品6放在樣品臺7上。
所說的正比計數器8，由於中子在物質中不能直接引起原子的電離，沒有電流輸出，所以本實用新型中是採用正比計數器8，接收中子數轉換成電流信號輸出，所採用的正比計數器8是3He計數管，3He計數管中的反應是He23+n01=H11+H13+0.76MeV]]>其中，23He為氦的同位素，01n為中子源1發射的中子符號，11H，13H為氫的同位素。
這樣，中子信號就變成了電流信號，經A/D轉變，輸入到計算機中，就獲得待測樣品6的圖像信息。
從中子源1發出的中子，經準直器準直後，發射一束平行的中子束到單色器3上，經單色器3色散，形成單色中子束，再經過鎘狹縫4濾波後，一平行單色的中子束照射到波帶片5上，中子經波帶片5聚焦，焦點落在待測樣品6上。待測樣品6放置在樣品臺7上。樣品臺7作上下、左右移動掃描，從待測樣品6處透射的信號被正比計數器8接收，輸出電流信號，輸入到計算機9內進行重構處理。本實用新型與在先技術相比具有的優點本實用新型的中子顯微成像裝置，由於採用中子源1，有單色器3的單色化、波帶片的聚焦等結構，可以測量極細微的結構，解析度比較高。所以，可以在工業、農業、生物醫學、物理、地球化學和宇宙化學、考古學、海洋學等方面獲得極為廣泛的應用。例如，中子顯微成像裝置可以測定核糖體和染色質的結構；採集少量海水，就可對海洋沉積物和海底巖石微量元素分布規律進行研究；通過對地球和其它外來宇宙物質中，稀土元素的豐度和分布分析測量，研究地球物質的演變過程，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藥在農作物上的代謝和分解、在土壤中的積累和消失，及其在畜牧產品上的殘留；在物理學中，可用中子顯微成像裝置探測原子核內部結構等等。
從中子源1中出射的中子，經準直器2入射到鉛單晶的單色器3上，產生色散，用鎘狹縫4選出部分中子束來，此時的中子束無論在發散度還是光譜質量方面，都獲得了極大的改善。
2記錄和檢測系統波帶片5選用菲涅爾波帶片，波帶環數大於100，待測樣品6是生物組織，樣品臺7是二維移動平臺，正比計數器8是3He計數管。從狹縫4出射中子束，照明波帶片5，並被波帶片5聚焦在樣品臺7上的待測樣品6上，樣品臺7載著待測樣品6先上下移動掃描，然後左右移動掃描，中子束在待測樣品6上每掃描一點，需停留1ms時間。待測樣品6上每透射一點的中子束，入射到正比計數器8上，產生一電流脈衝，經A/D轉換板，輸入到計算機9內。由於待測樣品6上各點的吸收係數不同，輸入到計算機9的信息也各異，因此，就可獲得待測樣品6的清晰圖像。對於100μm大小的生物樣品，空間解析度能達到10nm左右。
本實用新型的顯微成像裝置獲得的中子顯微圖像解析度，取決於菲涅爾波帶片聚焦斑的大小，通常的解析度可以達到10nm以下，比在先技術中用中子照相的最好結果高200倍以上。
權利要求1.一種中子顯微成像裝置，包括由屏蔽層10構成的屏蔽室11，內置有中子源1，其特徵在於屏蔽室11內由中子源1發射的中子束，首先經過長筒狀的中心軸線(OO′)與中子束中心束軸(OO′)重合置放的準直器2，經準直器2準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、並中點(O′)在中子束中心束軸(OO′)上的單色器3，經單色器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，經單色器3出射的單色中子束，經過狹縫4和波帶片5，將中子束聚焦在置放在樣品臺7上的待測樣品6上，待測樣品6產生的信號，經正比計數器8變成電流信號，輸入到計算機9內進行重構處理。
2.根據權利要求1所述的中子顯微鏡，其特徵在於所說的單色器3是由金屬晶體鉛晶體構成，或者由銅晶體構成，或者由鈹晶體構成。
專利摘要一種中子顯微成像裝置，包括由中子源發射的中子束，經過長筒狀的準直器準直，再經過單色器變成單色中子束後，通過狹縫由波帶片將其中子束聚焦在置放在樣品臺上的待測樣品上，待測樣品產生的信號經正比計數器變成電流信號，輸入計算機進行重構處理。與在先技術相比，具有解析度高、能夠測量微細結構，可以廣泛應用於工業、農業、生物醫學、物理、地球化學和宇宙化學、考古和海洋學等方面的微觀結構的觀察測量。
文檔編號G01N23/02GK2591620SQ02283659
公開日2003年12月10日 申請日期2002年12月27日 優先權日2002年12月27日
發明者陳建文, 高鴻奕, 謝紅蘭, 徐至展 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所