CN103245680A - 基于飞行时间法的快中子成像方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及快中子成像技术，具体涉及一种基于飞行时间法的快中子成像方法及***。该方法采用多块闪烁体单元组成闪烁体阵列，使闪烁体阵列与位置灵敏探测器进行耦合，将耦合后的整个探测器阵列设置在距离中子源较远位置，将样品设置在距离中子源较近位置，利用中子飞行时间方法进行测量，再利用符合方法剔除干扰因素得到每个闪烁体单元探测器上的有效计数，将各闪烁体单元探测器上的有效计数按阵列排列后得到是只有源中子起作用的二维图像。本发明采用探测器阵列的设计方式，提高了探测效率；飞行时间法测量方式可以有效地去除样品散射中子、环境漫散射本底和γ本底，提高了信噪比。

Description

基于飞行时间法的快中子成像方法及***

技术领域

本发明涉及快中子成像技术，具体涉及一种基于飞行时间法的快中子成像方法及***装置。

背景技术

快中子成像技术作为一种重要的无损检测技术，是x射线成像和热中子成像的重要补充手段，是当前射线成像技术研究热门。国外研究的重点集中在提高中子源强，发展新的成像技术等方面。美国劳伦斯利沃莫尔实验室采用RFQ加速器，无窗气体靶，DD中子产额达到10¹²n/s，对面密度超过100g/cm²的大物件位置分辨率达到毫米量级。阿贡实验室快中子成像***可分辨1.25厘米厚合金体内部直径约0.8毫米的含水缺陷。快中子成像方法呈现多样化，不仅有透射衰减法，还发展了散射法，快中子共振成像法等，如德国PTB快中子成像设备利用⁹Be(d,n)反应中子源和“共振”法，选取不同能量中子对样品成像，可以分辨样品中多种核素的密度分布信息。还有多种射线同时成像方法，快中子成像和γ/x成像同时进行，再经过图像重建得到清晰的三维照片，弥补了一种射线造成的疏漏。澳大利亚CSIRO开发了用于海关安检的快中子-γ成像***的样机。

快中子成像技术虽然能够应用于安检、国防、工业等方面，但一直以来它得不到太广泛的普及，甚至没有工业标准。这主要有两方面问题：缺少强流中子源；缺少兼顾空间分辨率、探测效率和高信噪比的测量手段。现有快中子成像研究报告表明一般用闪烁体转换屏时最好的位置分辨率能达到毫米量级左右，但此时探测效率一般小于3%，成像原理限制了探测器厚度，加厚探测器会使位置分辨率降低；如果固有位置分辨达到10～100微米量级（基于MICROMEGAS/GEM技术），探测效率就更低，一般低于千分之一。同时对于厚样品测量，散射中子和本底成分占大多数，传统成像方法虽有触及，远谈不上解决。总之目前快中子成像技术缺少一种好的测量手段。

发明内容

本发明目的是针对现有技术的缺陷，提出一种基于飞行时间法的快中子成像方法及***，提出采用塑闪探测器阵列配合飞行时间法的方式解决现有条件下空间分辨率低、探测效率低和信噪比低的成像问题。

本发明的技术方案如下：一种基于飞行时间法的快中子成像技术，采用多块闪烁体单元组成闪烁体阵列，使闪烁体阵列与位置灵敏光电倍增管进行耦合，将耦合后的整个探测器设置在距离中子源较远位置，将样品设置在距离中子源较近位置，在准直器的外面；利用中子飞行时间方法进行测量，得到每个闪烁体单元探测器的飞行时间谱，对每个像元的能谱作卡阈处理，即通过选取时间窗剔除干扰因素得到每个闪烁体单元探测器上的只是源中子起作用的有效计数，将各闪烁体单元探测器上的有效计数按阵列排列后得到二维图像。

基于飞行时间法的快中子成像***，包括置于屏蔽墙内的中子源，屏蔽墙上设有准直孔道，在正对所述准直孔道出口较近位置设有样品，在正对所述准直孔道出口较远位置设有闪烁体探测器，其中，所述的闪烁体探测器包括由多块闪烁体单元组成闪烁体阵列，闪烁体阵列与位置灵敏光电倍增管耦合，每个闪烁体单元的阳极信号输出端与数据采集和处理***相连接。

进一步，如上所述的基于飞行时间法的快中子成像***，其中所述的闪烁体单元为3mm×3mm×100mm的立方体，一个3mm×3mm的面与位置灵敏光电倍增管耦合，其余5个面用铝涂层覆盖或喷铝膜。

进一步，如上所述的基于飞行时间法的快中子成像***，其中，使用小尺寸位置灵敏光电倍增管或者二极管作为位置灵敏探测器组成阵列。

进一步，如上所述的基于飞行时间法的快中子成像***，其中，所述的样品靶面切线方向同准直器中轴线方向平行的方式设置。

进一步，如上所述的基于飞行时间法的快中子成像***，其中，探测器输出快信号被数据采集和处理***转换成飞行时间信号，并通过可以调节的甄别阈剔除干扰信号，然后通过地址编码器确定探测器的位置，从而实现二维成像。

本发明的有益效果如下：本发明的闪烁体探测器采用探测器阵列的设计方式，克服了一整块转换屏探测器固有的不清晰度问题，而且还可以加长探测器的长度，实现了提高探测效率的效果；飞行时间法测量方式可以有效地去除样品散射中子、环境漫散射本底和γ本底，提高了信噪比；按照几何相似三角形成比例放大的原理，足够长的飞行距离可以弥补每个像元尺寸大带来的位置分辨不佳的缺点。

附图说明

图1为本发明基于飞行时间法的快中子成像***原理示意图；

图2为本发明位置分辨率的几何放大原理示意图；

图3为探测器阵列单元的数据采集***示意图；

图4 为实验测量14MeV中子飞行时间谱。

图中，1.脉冲中子源  2.复合屏蔽体（重水泥墙）  3.准直孔道  4.待测样品及支架  5.闪烁体阵列  6. 位置灵敏光电倍增管和后端电子学元件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提出采用多块小闪烁体组成阵列探测器，把闪烁体阵列同位置灵敏光电倍增管作耦合，把探测器放在距离中子源较远位置，样品放在距离中子源较近位置，测量得到每一个探测单元的飞行时间谱，再设置甄别阈剔除干扰因素得到每个探测器上的有效计数，有效计数按阵列排列后就得到只有源中子起作用的二维图像，起到有效抑制本底提高信噪比的目的。同时用单独的闪烁体做像素单元可以提高探测效率，若用10厘米长的闪烁体对14MeV中子作探测，效率可超过20%，这是其他方法所无法达到的。长距离测量不但可以有效利用飞行时间法（可参照《原子核物理实验方法》，原子能出版社，第三版，p316），还可以利用几何原理起到放大作用而提高位置分辨率，实现毫米甚至亚毫米量级的位置分辨。

基于飞行时间法的快中子成像***的基本结构如图1所示，脉冲中子源1屏蔽于1米厚的重水泥墙2内，利用高压倍加器准直孔道3实现准直中子束出射，样品4放在距离中子源较近位置，样品靶面切线方向同准直器中轴线方向平行的方式设置。探测器为闪烁体阵列5，闪烁体阵列5与位置灵敏光电倍增管6耦合，位于距离中子源较远位，使用小尺寸位置灵敏光电倍增管或者二极管组成阵列。源中子打到样品上，有部分源中子会与样品作用而损失能量改变方向或者多次作用，还有部分未作用中子继续直线飞行至被探测到为止。此时由闪烁探测器给出阳极信号，同加速器信号符合后给出中子飞行时间谱。中子时间谱很复杂，既包含源中子信息，也有样品散射中子信息还有周围环境漫散射成分和伴随γ。

如图4实验测量所示，通过谱分析确定其中探测器像元的源中子峰计数，这表达了它这一像素点接受到的源中子计数，从而大大消除了此点本底的干扰。推广到二维探测器阵列，可得到高信噪比的图像，因此该方法有能力测量大厚物体内部的裂痕。

本实施例中，整个探测器由闪烁体阵列组成，每个闪烁体单元为立方体，尺寸为3mm×3mm×100mm，留下一个3mm×3mm的面同光电倍增管耦合，其他5面用薄铝箔覆盖或喷铝膜。每个这样做有几点好处：不会有相邻探测单元串光；不会因为屏厚引起固有不清晰度问题；可增加探测闪烁体单元厚度从而提高探测效率。每块位置灵敏光电倍增管内可以形成16×16=256个像元的阵列。闪烁体阵列压在一个薄铝皮框架内，起到固定安装作用，阵列的两个小面（像元3mm×3mm面）是空的，接受中子端会降低散射影响，不镀铝箔面同光电倍增管用硅油直接耦合，并用支架固定阵列和光电倍增管。

为了提高位置分辨，按照如图1方式试验，其原理如图2所示的等腰三角形。因为墙体准直器的准直效果很好，样品距离中子源相对较远，近似认为是点源出射。在图2中，样品4距离源设为1米，探测器阵列5到源的距离为6米，按照相似三角形原理，样品处的裂痕在探测器处测量尺寸放大6倍，每个闪烁单元尺寸是3毫米，所以可以测量到0.5毫米的裂痕。

本发明的数据采集方式采用专用电子学完成，如图3所示，由于要用到飞行时间方法，所以后端数据采集***需用时幅测量电路，并且设置阈甄别器，同时由地址编码器给出探测单元编号。具体思路如下：每个闪烁体单元输出阳极信号进入甄别器，选择合适的探测阈输出，每个信号输出两个逻辑信号，其中一个送给编码器做地址编码，另一个给“逻辑或”单元实现多组信号相加，相加后信号给时幅转换器作开始信号，时幅转换器停止信号由加速器脉冲束拾取信号给出，从而得到多组探测器“或”的中子飞行时间谱，其幅度表示时间，由时幅转换器输出结果并做后期软件卡阈处理，得到只有源中子飞行时间谱事件信息。位置编码信息由编码器给出，配合飞行时间谱卡阈后的计数信息，从而实现二维探测。数据采集和处理***的线路结构如图3所示。

因为探测距离远不会出现死时间过大的现象，按源强是10¹⁰/s算，6米远外探测效率20%，每个探测器每秒14MeV中子计数率约4Hz，按照信噪比1：4计算，每个探测单元每秒20Hz计数率。全部探测器加起来约5000Hz，后端电子学足够处理。因为利用飞行时间法后信噪比将大大提高，每个探测单元统计计数只需几百就可满足误差需要，假设每个探测单元有效计数率是4Hz，只需要几分钟就可以测试完成一组。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种基于飞行时间法的快中子成像技术，其特征在于：采用多块闪烁体单元组成闪烁体阵列，使闪烁体阵列与位置灵敏光电倍增管进行耦合，将耦合后的整个探测器设置在距离中子源较远位置，将样品设置在距离中子源较近位置，利用中子飞行时间方法进行测量，得到每个闪烁体单元探测器的飞行时间谱，对每个像元的能谱作卡阈处理，通过选取时间窗剔除干扰因素得到每个闪烁体单元探测器上的有效计数，将各闪烁体单元探测器上的有效计数按阵列排列后得到只是源中子起作用的二维图像。

2.一种基于飞行时间法的快中子成像***，包括置于屏蔽墙内的中子源，屏蔽墙上设有准直孔道，在正对所述准直孔道出口较近位置设有样品，在正对所述准直孔道出口较远位置设有闪烁体探测器，其特征在于：所述的闪烁体探测器包括由多块闪烁体单元组成闪烁体阵列，闪烁体阵列与位置灵敏探测器耦合，每个闪烁体单元探测器的阳极信号输出端与数据采集和处理***相连接。

3.如权利要求2所述的基于飞行时间法的快中子成像***，其特征在于：所述的闪烁体单元为3mm×3mm×100mm的立方体，一个3mm×3mm的面与位置灵敏探测器耦合，其余5个面用铝箔覆盖或喷铝膜。

4.如权利要求2或3所述的基于飞行时间法的快中子成像***，其特征在于：使用小尺寸位置灵敏光电倍增管或者二极管作为位置灵敏探测器组成阵列。

5.如权利要求2所述的基于飞行时间法的快中子成像***，其特征在于：所述的样品靶面切线方向同准直器中轴线方向平行的方式设置。

6.如权利要求2所述的基于飞行时间法的快中子成像***，其特征在于：探测器输出快信号被数据采集和处理***转换成飞行时间信号，并通过可以调节的甄别阈剔除干扰信号，然后通过地址编码器确定探测器的位置，从而实现二维成像。

Images