中子衍射層析成像裝置的製作方法

2023-07-14 14:58:46

專利名稱：中子衍射層析成像裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及中子衍射成像技術，特別是一種中子衍射層析成像裝置。
1.中子衍射成像技術中子或者其它任何具有波動性質的輻射源，只要其波長和原子間的間距是一個量級，都能用衍射特性來研究固體中原子的空間排列。
英國物理學家布喇格父子導出了形式簡單、但能夠說明晶體衍射基本關係的布喇格方程或「反射」定律。根據布喇格的證明，可以將晶體的衍射現象看作是由晶體某些晶面的「鏡面反射」的結果。但不是任意的晶面，而只有這樣的晶面它與入射線所形成的角度θ和該晶面的晶面間距d以及入射線波長λ符合於下式時，才能產生反射2dsinθ＝nλ式中，n為任意正整數，稱為衍射級數。
這就是著名的布喇格方程。因此，實現衍射的各種方法都是在實驗中，設法連續地變化波長λ或θ角，來滿足衍射幾何的要求，以達到產生衍射的目的。
中子衍射主要應用可以分為3類(1)固體結構研究，目的在於確定輕原子，尤其是氫氣原子的位置。
(2)要求區別原子序數非常相近的那些原子，它們對X射線散射振幅是非常相似的，採用X射線衍射難以區分，例如生物大分子等。
(3)磁性材料研究，對於具有磁矩的原子會產生中子的附加散射。
衍射成像技術是材料科學中一個強有力的工具，現已獲得全世界公認和廣泛的應用。在歷史上，維生素B12和DXA的結構就是通過衍射成像發現的[參見在先技術Hodgkin D.C.，Pickworth J，et a1.Nature(London)，1955，176(4477)325～328]。
中子衍射的實驗裝置實驗裝置如圖1所示。
從反應堆一個準直管9中射出的中子束1射至一單色晶體13上，晶體13四周用笨重的屏蔽物10與反應堆隔離，只有一部分中子被選定在很窄的波帶區中，經硼管14後用來照射樣品2，樣品2置於轉動平臺3上，被樣品2衍射的中子束用三氟化硼正比計算器15(或He-3計數管)進行檢測。含硼石蠟層11用來吸收中子，鉛屏12用來吸收γ射線。
採用中子衍射的方法，既能適用於粉末狀的多晶樣品，也能適用於液體或單晶體。對於多晶樣品，不論樣品如何轉動，各條衍射線總是存在的，這要求樣品和計數器之間保持一定的距離。在研究單晶樣品時，可以把計數器安置在離樣品很近的地方。
上述方法的缺點是不能給出樣品中元素的三維分布。
2.中子層析成像當中子束通過衰減係數μ、厚度為l的介質時，其衰減遵循比爾I＝I0exp(-μl)(Beer)定律當物體在投影方向衰減係數不均勻時，應有線積分I=I0exp[--+(l)dl]]]>當介質不但在投影方向，而且，在投影的垂直方向也不均勻時，上式成為I(r)=I0exp[--+(r,yr)dyr]]]>=-lnI(r)I0=(r,yr)dyr]]>對上式兩邊取對數，使方程線性化，得到新函數層析任務就是用所測得的λφ(xr)去得到μ(xr，yr)的分布。經過幾代數學家的努力，發展了各種各樣的方法。通常用以下兩種方法進行圖像復原Δ代數法包括迭代法、回投影法Δ解析法包括拉冬法、傅立葉濾波法、卷積法、濾波回投影法等。
一個有趣的現象是，硬X射線的吸收係數隨著原子序數的增加而不斷增加，中子束卻不能，除幾個元素以外，如氫、鋰、硼、鎘以外，中子的吸收係數遠遠低於硬X射線。表1列出了幾個常見元素的透射百分比。表1

從上表可以看出，對於大部分重金屬，X射線穿透深度受到了限制，而中子確大有作為，從某種意義說，中子層析和X射線層析是相互補充的。特別要提出的是，氫元素對中子有較大的吸收。因此，中子層析對一些含氫有機材料的檢測，如潤滑油、塑料、金屬外殼內的密封圈等很靈敏，對某些複雜的、要求非常苛刻的、運用在汽車行業上和宇航工業的大型重金屬元件，中子層析也非常有價值。
中子層析實驗裝置實驗裝置示意圖如圖2所示，平行中子束1入射到樣品2上，樣品2置於轉動平臺3上，中子經樣品吸收以後，用閃爍體4[Zns(Ag)-6ZiF]記錄接收不同角度下的投影值。每入射一個中子，閃爍體4將轉換為級聯光子，然後經鋁鏡5反射到CCD相機6上，輸入到計算機8上去，當計算機讀到來自於CCD相機6上的信號以後，控制轉動平臺3轉動一個角度，進行下一輪中子束曝光。為了避免散射光對CCD的影響，閃爍體4，鋁鏡5和CCD相機6都放置在暗箱7中。
在取得足夠的投影數據以後，計算機將給出整個樣品圖像[參見在先技術S.Koerner，B.Schillinger，et al.，「A neutron to mography facilityat a low power researcu reactor」，Nuclear Instruments Methods inPhysics Research，2001，A471，69-74.]這種層析的最大缺點是(1)不能給出樣品中某個特定元素的三維空間分布；(2)如果兩個吸收係數相近的元素，這個方法難以分辨，例如對於生物組織的測試，對比度差，解析度低。
②所述轉動平臺的步進馬達受到計算機的指令而轉動，帶動轉動平臺旋轉或上、下運動。
上述的中子衍射層析成像裝置，其特徵在於所述單晶鋁和單晶鋁的曲率半徑範圍為50～100m。
上述的中子衍射層析成像裝置，其特徵在於所述的CCD相機被置於液氮中冷卻。
上述的中子衍射層析成像裝置，其特徵在於所述的鋁鏡是在2mm玻璃基片的鋁膜上，鍍有一層保護膜而成。
上述的中子衍射層析成像裝置，其特徵在於所述的中子束是從裂變反應堆中子源輻射，並經準直器中出射的中子，該準直器是一具有矩形或圓形截面的鋼盒或鋼筒構成的。
上述的中子衍射層析成像裝置，其特徵在於所述的準直器的長度L和口徑D之比L/D≈100。
本實用新型的重要優點(1)中子衍射層析成像兼備了衍射和層析的各自優點，能高解析度地重構待測元素的三維空間分布。
(2)能測試和分辨吸收係數非常相近元素的空間結構，這一點是非常難能可貴的。這對於生物組織而言非常有利。


圖1為在先技術中的中子層析裝置示意圖圖2為在先技術中的中子衍射裝置原理圖圖3為本實用新型中子衍射層析成像裝置示意圖具體實施方式
先請參閱圖3。由圖可見，本實用新型中子衍射層析成像裝置由中子束1，單晶鋁16、17，轉動平臺3，閃爍體4，鋁鏡5，CCD相機6，計算機8，暗箱7組成。
平行中子束1經一對單晶鋁16、17形成的單色聚焦器單色化以後，入射到放置在轉動平臺3上的樣品2上，中子被樣品衍射以後，衍射信號被放在暗箱7中的閃爍體4接收，並轉化成含有樣品信息的可見光，被鋁鏡5反射進入到CCD相機6上，數位化以後輸入到計算機8上，進行計算機數字重構。
所說的中子束1是從裂變反應堆中子源輻射，並經準直器出射的中子。該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，並由一個具有矩形或圓形截面的鋼盒或鋼筒準直，從準直器中出射的中子，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，獲得準平行中子束。
所說的單晶鋁16和單晶鋁17，它們共同組成單色聚焦器，由於具有一定的曲率，其R＝100m，因此，既具有色散作用，又有聚焦功能，這兩塊單晶鋁互相垂直放置。平行入射中子束1和單晶鋁16成掠入射角θ時，產生布喇格反射，當單晶鋁17和單晶鋁16垂直放置時，它能將單晶鋁16聚焦的一條線變成一個焦點，即用單晶鋁17校正單晶鋁16的像散。單色中子束進入到待測樣品2中以後，只有特定的入射角θ才滿足布喇格公式的衍射加強。因此，通過入射角θ的選擇，可以選擇樣品中不同元素，進行層析成像。
所說的轉動平臺3受一步進馬達的驅動，可進行上下運動和旋轉運動，待測樣品2放在該轉動平臺3上亦可上下運動和旋轉運動。
所說的閃爍體4為ZnS(Ag)-LiF。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，所以本實用新型中採用ZnS(Ag)-LiF。樣品2中產生的衍射中子束，垂直入射到閃爍體4的屏上，每一個中子產生級聯可見光子。
所說的鋁鏡5用來把閃爍體4產生的可見光，反射到CCD相機6上，CCD相機6為商業用CCD。
一準平行中子束1經單晶鋁16、17聚焦和單色化以後，入射到放在轉動平臺3上的樣品2上，只有入射角θ滿足待測元素的布喇格公式的中子束，才能獲得衍射加強。衍射的中子被閃爍體4接收，並轉化成含有樣品信息的可見光，經鋁鏡5反射到放在液氮中冷卻的CCD相機6上，數位化後輸入到計算機8上。計算機收到信號的同時，傳送給步進馬達，帶動轉動平臺3自動進行下一次曝光，直到完成一個周期，即在一個斷面上完成0～180°內的取樣，之後將轉動平臺帶動樣品作向上或向下運動，進入另一個斷面，重複上述測試，最後進行數字重構，獲得各種元素的三維分布圖。
通過入射角θ的選擇，可以選擇樣品2中不同元素進行層析成像。
樣品2中產生的衍射中子束，垂直入射到閃爍體4的屏上，閃爍體為ZnS(Ag)-6LiF。每一個中子產生級聯可見光子，經鋁鏡5反射到CCD相機6上，鋁鏡是選擇厚為2mm的玻璃板作片基，在鋁膜上鍍有一層保護膜，選擇鋁鏡的目的在於，不讓中子束直接入射到CCD相機6的晶片上，以免晶片被損壞。為了減小CCD相機6的暗電流，將其放入到液氮中進行冷卻，這對於使用較低中子通量、長時間曝光的實驗非常重要，閃爍器4，鋁鏡5和CCD相機6要放在暗盒7中，以免雜散的可見光影響測試數據。轉動轉動平臺3，測得各待測元素的衍射峰值以後，就可用計算機進行重構。
本實用新型中，中子衍射層析成像系統也可以用來進行中子衍射和中子層析成像研究，該系統在生物醫學、材料結構、考古學、航天航空、宇宙化學和兵器工業等方面有著極為廣泛的應用前景，這一新的技術、新的方法，為人們探索新的自然規律提供了一個強有力的工具。
權利要求1.一種中子衍射層析成像裝置，包括轉動平臺(3)，閃爍體(4)，鋁鏡(5)，CCD相機(6)，計算機(8)暗箱(7)，所說的閃爍體(4)，鋁鏡(5)和CCD相機(6)放在暗箱(7)中。中子束(1)入射到放置在轉動平臺(3)上的樣品(2)上，中子被樣品(2)產生的衍射中子垂直入射，被閃爍體(4)接收，轉化為含有樣品信息的可見光，被鋁鏡(5)反射進入CCD相機(6)上，數位化後轉入到計算機(8)，其特徵是①在轉動平臺(3)之前，還設有由互相垂直放置的、具有一定曲率的單晶鋁(16)和單晶鋁(17)構成的單色聚焦器。②所述轉動平臺(3)的步進馬達受到計算機(8)的指令而轉動，帶動轉動平臺(3)旋轉或上、下運動。
2.根據權利要求1所述的中子衍射層析成像裝置，其特徵在於所述單晶鋁(16)和單晶鋁(17)的曲率半徑範圍為50~100m。
3.根據權利要求1所述的中子衍射層析成像裝置，其特徵在於所述的CCD相機(6)被置於液氮中冷卻。
4.根據權利要求1所述的中子衍射層析成像裝置，其特徵在於所述的鋁鏡(5)是在2mm玻璃基片的鋁膜上，鍍有一層保護膜而成。
5.根據權利要求1所述的中子衍射層析成像裝置，其特徵在於所述的中子束(1)是從裂變反應堆中子源輻射，並經準直器中出射的中子，該準直器是一具有矩形或圓形截面的鋼盒或鋼筒構成的。
6.根據權利要求5所述的中子衍射層析成像裝置，其特徵在於所述的準直器的長度L和口徑D之比L/D≈100。
專利摘要一種中子衍射層析成像裝置，包括轉動平臺、閃爍體、鋁鏡、CCD相機、計算機和暗箱，所說的閃爍體、鋁鏡和CCD相機放在暗箱中，中子束入射到放置在轉動平臺上的樣品上，中子被樣品產生的衍射中子垂直入射，被閃爍體接收，轉化為含有樣品信息的可見光，被鋁鏡反射進入CCD相機上，數位化後轉入到計算機，其特點是在轉動平臺之前，還設有由互相垂直放置的、具有一定曲率的單晶鋁和單晶鋁構成的單色聚焦器。本實用新型裝置兼有中子衍射和中子層析的優點，能高解析度地重構待測樣品中待測元素的三維空間分布，特別是能測試和分辨吸收係數非常相近的元素的空間結構。
文檔編號G01N23/20GK2589975SQ0228344
公開日2003年12月3日 申請日期2002年12月23日 優先權日2002年12月23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