CN106855522B - 白光中子成像方法及采用其的材料组成无损检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种白光中子成像方法，包括步骤：中子源发射脉冲中子束并记录发射时间；探测器探测脉冲中子束得到中子的位置和到达时间并传输到处理单元；处理单元根据中子的到达时间及记录的发射时间得到中子的能量信息，对中子按能量分组得到二维中子通量分布重复上述步骤，得到放置样品时的二维中子通量分布根据的值及能量分组信息生成具有中子能量信息的中子透射图像。另提出一种无损检测材料组成的方法，利用不同角度采集的位置信息重建三维空间信息并结合能量信息得到空间单元格点的透射信息，将此值与原子核数据库比对确定材料的组成。本发明在无损情况下可精确地确定材料的组成，测量的中子能量范围最宽可以覆盖从eV到百兆eV。

Description

白光中子成像方法及采用其的材料组成无损检测方法
技术领域
本发明属于无损检测领域，更具体地涉及一种白光中子成像方法及采用其的材料组成无损检测方法。
背景技术
传统中子成像装置通常采用加速器裂变中子源或反应堆中子源，采用闪烁屏接收所有的入射中子，因此其成像过程不区分粒子能量，所成图像实际上是一种各种能量中子的透射分布叠加起来的图像，难以对图像进行深层次的解析，也就无法对样品结构和成分作进一步的深层次分析。
为了解决上述问题，近年来以确定中子能量为目标的中子照相研究逐渐兴起。通过采用脉冲型加速器中子源和飞行时间测量获得中子的能量信息，将中子通过样品后所成的图像进一步精细化，分别得到不同能量段的中子透射图片；然后，再利用材料对不同能量中子的作用截面不同，初步推断材料的组成。如图1所示，碳氢氧等元素在快中子区域具有显著的共振吸收结构。该技术一般称之为快中子共振成像，对应的中子能区为1-10MeV。
在中子共振成像方面有两种实现方法：一种方法是采用准单能中子束，如，2002年麻省理工的Chen Gongyin等人提出利用D-D反应得到按角度分布的准单能中子束，并对样品逐点成像，得到一系列能量点的透射图像，然而这种方法要逐一对宽能量范围的中子能量进行测量，效率极低，只能体现具有能谱分辨的快中子相片在元素分析和安检领域中的价值；另一种方法是对较宽能谱的中子或相关信号进行分选，例如以色列发展的Trion***实际上是通过加时间窗的图像放大器对中子产生的图像进行分选。此方法相比于准单能中子束，采用分选方案提高了束流的利用效率，缩短了成像时间，可以实现4-8个固定能量点的图像采集；但是该方案仍然只是对图像的时间筛选，并非直接测量单个粒子事件且该方案由于束流强度低，中子的飞行长度相应地缩短，因此通过时间窗截取的中子所涵盖的能量区段仍然很宽，无法通过共振峰分析获得材料信息，另外由于该方案是机械式地轮换采集，其图像采集效率低，不满足实际应用需求。
发明内容
基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种白光中子成像方法及无损检测材料组成的方法，用于解决以上技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提出了一种白光中子成像方法，包括以下步骤：
步骤11、脉冲型加速器中子源发射宽能谱的脉冲中子束并记录发射时间；
步骤12、探测器探测并测量脉冲中子束，得到每个中子的位置和到达时间，并将每个中子的位置和到达时间传输到处理单元；
步骤13、处理单元根据每个中子的到达时间及记录的发射时间得到该中子的能量信息，对所有中子按能量分组，并按照中子的位置信息得到不同位置处的中子通量
步骤14、放置样品于脉冲型加速器中子源和探测器之间，重复步骤11-13，得到放置样品时不同位置处的中子通量根据所的比值及放置样品时的能量分组信息生成一系列连续的具有中子能量信息的中子透射图像。
进一步地，上述脉冲型加速器中子源为基于大型散裂中子源或基于加速氘束的小型强流直线加速器中子源。
进一步地，上述脉冲型加速器中子源提供的中子能量范围从eV到百MeV。
进一步地，上述探测器为阵列型探测器，其由中子探头阵列、光电转换器和电子学读出装置组成。
进一步地，上述中子探头阵列由多根中子探头规则排布形成，中子探头阵列的测量范围与脉冲中子源的能量范围相匹配。
进一步地，上述中子探头由闪烁体和传导光纤组成，闪烁体接收中子并产生闪烁光，闪烁光经传导光纤传导至光电转换器。
优选地，上述闪烁体为快闪烁体，其为毛细管型液态闪烁体、塑料闪烁体、含硼闪烁体或锂玻璃。
进一步地，上述中子探头阵列在单个脉冲内接收探测能量范围内的中子。
进一步地，上述电子学读出装置用于测量每个脉冲内中子探头阵列探测的所有中子的到达时间及位置信息，并将测量的所有中子的到达时间及位置信息传输至处理单元。
为了实现上述目的，作为本发明的另一个方面，本发明提出了一种材料组成的无损检测方法，采用上述的白光中子成像方法，材料样品位于转动平台上，包括以下步骤：
步骤21、转动位于转动平台上的样品，采用白光中子成像方法得到不同角度放置样品时不同位置处的中子通量，得到不同角度的一系列连续的具有中子能量信息的中子透射图像；
步骤22、处理单元根据不同角度的一系列连续的具有中子能量信息的中子透射图像，利用断层重建算法得到空间单元格点的透射信息；
步骤23、处理单元将空间单元格点的透射信息与核数据库中核素的全截面数据进行对比，得到材料的组成。
本发明提出的白光中子成像方法及无损检测材料组成的方法，与其他快中子照相方法相比，具有以下有益效果：
1、本发明提出的白光中子成像方法成像速度快，可同时测量包括低能段的所有能量段的中子，数据累积效率高；
2、本发明的白光中子成像方法中的中子探头阵列可以测量单个中子，并获得所有中子的位置和能量信息，通过处理单元可得到详细的一系列连续的具有中子能量信息的中子透射图像；
3、本发明的白光中子成像方法结合CT技术形成无损检测材料组成的方法，此方法可以得到样品材料的原子核特征，利用其与原子核数据库进行比对，则可唯一地确定样品的核素组成；
4、在脉冲中子源和中子飞行距离满足高能量分辨的情况下，本方法可以实现对样品中从轻到重的所有核素的分辨；
5、本发明提出的成像方法及无损检测材料组成的方法可用于安全检查、文物考古、新能源、新材料等诸多领域。
附图说明
图1是本发明一实施例中使用的液体闪烁体对快中子的响应时间曲线；
图2是几种元素的中子全截面与入射能量的关系曲线图；
图3(a)是本发明一实施例提出的白光中子成像方法采用的装置示意图；
图3(b)是图3(a)中探测器阵列的中子探头阵列与传导光纤的结构示意图，其中探头采用毛细管液态闪烁体；
图3(c)是图3(a)中所示装置的中子运动示意图；
图4是本发明一实施例提出的93Nb的共振峰结构的全截面与入射中子能量的关系曲线图；
图5是本发明一实施例提出的白光中子成像方法结合CT技术检测材料组成的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种白光中子成像方法，所述白光中子是指包含从eV到几十甚至百兆eV的连续能谱、且具有脉冲时间结构的中子束，该方法包括以下步骤：
步骤11、脉冲型加速器中子源发射宽能谱的脉冲中子束并记录发射时间；
步骤12、探测器探测并测量脉冲中子束，得到每个中子的位置和到达时间，并将每个中子的位置和到达时间传输到处理单元；
步骤13、处理单元根据每个中子的到达时间及记录的发射时间得到该中子的能量信息，对所有中子按能量分组，并按照中子的位置信息得到不同位置处的中子通量
步骤14、放置样品于脉冲型加速器中子源和探测器之间，重复步骤11-13，得到放置样品时不同位置处的中子通量根据所的比值及放置样品时的能量分组信息生成一系列连续的具有中子能量信息的中子透射图像。
上述探测器为阵列型探测器，其由中子探头阵列、光电转换器和电子学读出装置组成，其中中子探头阵列由多根中子探头规则排布形成，中子探头阵列的测量范围与脉冲中子源的能量范围相匹配。
优选地，上述中子探头由闪烁体和传导光纤组成，闪烁体接收中子并产生闪烁光，闪烁光经传导光纤传导至光电转换器。
优选地，上述闪烁体为快闪烁体，可以为毛细管型液态闪烁体、塑料闪烁体、含硼闪烁体或锂玻璃。
上述中子探头阵列在单个脉冲内接收测量能量范围内的中子，并逐个测量中子的到达时间和位置。
上述电子学读出装置用于测量每个脉冲内中子探头阵列探测的所有中子的到达时间及位置信息，并将测量的所有中子的到达时间及位置信息传输至处理单元。
上述脉冲型加速器中子源为基于高功率质子加速器的大型散裂中子源，其脉冲重复频率为几至几十Hz，质子束能量在500MeV以上，或者为基于加速氘束的小型强流直线加速器的中子源，其脉冲重复频率为几至几十kHz。其中打靶产生的脉冲中子经过适度慢化形成eV-MeV能区的宽能谱中子，经过束流准直和合适的距离后，照射到样品上。
其中，可以采用不同的方法获得中子的发射时间，如质子束或氘束打靶的时间。在有些情况下，也可以利用闪烁探测器同时探测从中子源来的伴生伽玛，这些伴生伽马完全能反映中子的发射时间，他们比中子早到探测器，因此也可以利用伴生伽玛的到达时间反推中子束的发射时间。
上述探测器根据中子能区的不同可采用不同的闪烁体来覆盖白光中子的极宽能区，探测器测量透射中子的位置和到达时间，中子位置分布信息将用于提供样品结构的信息，到达时间同由脉冲型加速器中子源提供的束流脉冲打靶时间(即记录的发射时间)相结合提供中子的飞行时间，而中子的飞行时间同中子能量是完全相对应的，这样又可以提供样品核素成分的信息。对于大型散裂中子源，中子注量率很高，需要较长的飞行距离以降低探测器上的瞬间中子密度，较长的飞行距离也有利于快中子和中低能中子能量的精确测量。对于小型中子源，中子注量率不高，样品和探测器应靠近中子靶放置，如3-10米，因为采用的是射频直线加速器，氘束的微脉冲结构可以保证1-10MeV的中子飞行时间分辨率控制在百分之几，从而可以分辨轻核素的共振峰。
上述探测器之所以为阵列型探测器，是因为采用窄脉冲的中子束，中子通过样品到达探测器上的瞬间注量率很高，需要采用快时间响应的小探测单元组成的阵列型才能同时测定每个中子的位置和时间信息。对于大型散裂中子源，它本身具有很好的时间结构，重复频率为几十Hz，质子脉冲宽度几十ns，飞行距离较长，比较容易实现单个中子的飞行时间探测；而对于小型直线加速器氘中子源，需要对加速器进行特殊的设置，如采用束流斩波器将ms量级的长束流脉冲中的绝大部分束流分成很多段清除掉，使束流具有几～几十kHz的宏脉冲结构，从而降低中子源的强度，既降低屏蔽要求，方便使用，也有利于单中子的飞行时间方法探测。
之所以可根据中子能区的不同采用一组或两组具有不同闪烁体的探测器，是因为目前没有有效同时测量快中子(百keV至几十MeV能区)和中低能中子能区(eV-百keV能区)的探测器。测量快中子的有效方法是采用具有短脉冲时间结构的快闪烁探测器，如液体闪烁体EJ-301，如图1所示，液体闪烁体的衰减时间一般为3-5ns，其对入射中子的时间响应小于100ns，且对入射中子的信号脉冲快成份的时间宽度＜20ns，利用电子学读出装置测得入射中子产生的脉冲信号，提取该脉冲信号上升前沿最快位置作为中子的到达时间，其误差范围小于3ns。中子能量的测量误差取决于时间误差和总的飞行时间，也即时间误差、中子能量和飞行距离，由此可计算对应的能量分辨，对于2.07MeV的快中子飞行76米的条件下其能量分辨为3.2keV，此能量分辨率足以刻画如图2中C-12核素较窄的一个共振峰(FWHM＝12.3keV)，因此可以通过共振谱的方法分辨材料中是否含有该核素。
对于中低能中子，采用相应的闪烁体(如含硼-10的闪烁体、锂玻璃)，同样可以用于分辨中重元素的共振峰，中重元素的共振峰通常在几keV～eV量级，如图4为93Nb的共振峰结构，由于中低能中子的飞行速度慢、总飞行时间长，其能量分辨率将比上述快中子能区更高，因此同样也满足这些核素的共振峰检测要求。
上述具有中子能量信息的中子透射图像为具有连续能量特征的空间二维分布图像。由于中子探头有一定几率测量到打在其上的中子，在探测器制备过程中需要对探头在不同能区的中子探测效率曲线进行刻度。考虑到样品处中子束斑的非均匀性，可以通过计算样品放置后和放置前探测器平面内各个位置的中子通量之比，即可得到样品材料的准确中子透射图像，在本发明中，结合飞行时间测量可以获得具有能量分辨的一组透射图像。
上述白光中子成像方法结合CT技术可以获得样品每个空间格点的中子截面信息，此信息就是样品材料的原子核特征，利用其与原子核数据库进行比对即可以唯一地确定材料的核素成分，因此这是一种全新的无损材料分析方法。
基于上述白光中子成像方法，本发明另一方面公开了一种材料组成的无损检测方法，所述材料位于转动平台上，包括以下步骤：
步骤21、转动位于转动平台上的样品，采用白光中子成像方法得到不同角度放置样品时不同位置处的中子通量，得到不同角度的一系列连续的具有中子能量信息的中子透射图像；
步骤22、处理单元根据不同角度的一系列连续的具有中子能量信息的中子透射图像，利用断层重建算法得到空间单元格点的透射信息；
步骤23、处理单元将空间单元格点的透射信息与核数据库中核素的全截面数据进行对比，得到材料的组成。
上述转动位于转动平台上的样品，则可以获得不同角度的成像结果，处理单元利用断层重建算法(即所谓的CT技术)即可得到空间单元格点的透射信息。在图像分析中，采用不同颜色标记不同组成成分，并与核数据库中核素的全截面数据进行比较，即可直观地获得样品的三维结构与材料核素组成。
以下通过具体实施例对本发明提出的白光中子成像方法进行详细描述。
实施例
如图3(a)～3(c)所示，本实施例提供一种白光中子成像方法，所述中子由脉冲型加速器中子源发射且透射样品后传输到探测器，该方法包括以下步骤：
步骤11、脉冲型加速器中子源发射宽能谱的脉冲中子束并记录发射时间；
步骤12、探测器探测并测量脉冲中子束，得到每个中子的位置和到达时间，并将每个中子的位置和到达时间传输到处理单元；
步骤13、处理单元根据每个中子的到达时间及记录的发射时间得到该中子的能量信息，对所有中子按能量分组，并按照中子的位置信息得到不同位置处的中子通量
步骤14、放置样品于脉冲型加速器中子源和探测器之间，重复步骤11-13，得到放置样品时不同位置处的中子通量根据所的比值及放置样品时的能量分组信息生成一系列连续的具有中子能量信息的中子透射图像。
本实施例提出的方法所用装置如图3(a)所示，其中探测器由中子探头阵列、多阳极光电倍增管(PMT)、电子学读出装置组成，其中，中子探头阵列由多个中子探头组成，每个中子探头包括闪烁体和传导光纤组成。对于快中子，闪烁体采用光纤闪烁体(毛细管阵列液体闪烁体情况类似)，中子探头呈周期性密集排布，每根传导光纤的信号对应于后面的多阳极光电倍增管(如滨松H9500)的一个阳极。光纤闪烁体和传导光纤的结构如图3(b)所示，光纤闪烁体用于产生闪烁光信号，检测中子入射事件；传导光纤采用高数值孔径(NA＞＝0.5)、外径相同的多模光纤，使得传导光纤与光纤闪烁体两者的临界角基本匹配，两者采用全光纤连接保证信号光的有效收集和传导。其中传导光纤镀有一层高Z防护层(如铅)，防止闪烁体间的伽马信号串扰。光纤闪烁体镀有一层金属反射薄层，如5微米铝膜，以收集后向发射的闪烁光，提高光子收集效率。
对于中低能中子的探测，中子探头阵列部分选用锂玻璃作为闪烁体，其中，锂核俘获中低能中子然后衰变并发射带电粒子，带电粒子激发闪烁光。
如果需要提高空间位置分辨率或者是较大的样品，则可以增加探头阵列单元数，并采用多个光电倍增器件并行处理。
如图3(c)所示，脉冲型加速器中子源发射脉冲中子束，中子通过准直器得到准直后照射到样品，经过样品透射的中子由中子探头阵列探测，中子探头阵列探测到中子后产生闪烁光信号，闪烁光信号经过光导传输到达光电转换器(如光电倍加管)转变为电脉冲信号，电脉冲信号经由电子学读出装置处理，同时做计数和飞行时间测量，然后将经过处理的电信号转换为有一定逻辑关系的数字信号并送到作数据处理的计算机处理***中，在那里图像分析软件再将其转换为可直观分析的图形和相关数据，即得到一系列连续的具有中子能量信息的中子透射图像。
如图5所示，通过结合CT技术，对样品台进行旋转，得到每个格点的一系列连续的具有中子能量信息的中子透射图像，重复上述步骤得到不同角度的具有中子能量信息的中子透射图像，计算机处理***将不同角度采集的位置信息浓缩到三维空间并结合能量信息，通过综合分析得到每个格点的样品材料的原子核特征μ(x，y，z，E)＝μxyz(E)，此信息就是样品材料的原子核特征，利用其与原子核数据库进行比对即可以唯一地确定材料的核素成分。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种白光中子成像方法，包括以下步骤：
步骤11、脉冲型加速器中子源发射宽能谱的脉冲中子束并记录发射时间；
步骤12、探测器探测并测量所述脉冲中子束，得到每个中子的位置和到达时间，并将所述每个中子的位置和到达时间传输到处理单元；
步骤13、所述处理单元根据所述每个中子的到达时间及记录的发射时间得到该中子的能量信息，对所有中子按能量分组，并按照所述中子的位置信息得到不同位置处的中子通量
步骤14、放置样品于脉冲型加速器中子源和探测器之间，重复步骤11-13，得到放置样品时不同位置处的中子通量根据所述的值及放置样品时的所述能量分组信息生成一系列连续的具有中子能量分辨的中子透射图像，其能量分辨率能够进行共振峰分辨。
2.如权利要求1所述的白光中子成像方法，其特征在于，所述脉冲型加速器中子源为基于大型散裂中子源或基于加速氘束的小型强流直线加速器中子源。
3.如权利要求2所述的白光中子成像方法，其特征在于，所述脉冲型加速器中子源提供的中子能量范围的量级从eV到百兆eV。
4.如权利要求3所述的白光中子成像方法，其特征在于，所述探测器为阵列型探测器，其由中子探头阵列、光电转换器和电子学读出装置组成。
5.如权利要求4所述的白光中子成像方法，其特征在于，所述中子探头阵列由多根中子探头规则排布形成，所述中子探头阵列的测量范围与所述脉冲中子源的能量范围相匹配。
6.如权利要求5所述的白光中子成像方法，其特征在于，所述中子探头由闪烁体和传导光纤组成，所述闪烁体接收中子并产生闪烁光，所述闪烁光经传导光纤传导至所述光电转换器。
7.如权利要求6所述的白光中子成像方法，其特征在于，所述闪烁体为快闪烁体，其为毛细管型液态闪烁体、塑料闪烁体、含硼闪烁体或锂玻璃。
8.如权利要求4所述的白光中子成像方法，其特征在于，所述中子探头阵列在单个脉冲内接收探测能量范围内的中子。
9.如权利要求8所述的白光中子成像方法，其特征在于，所述电子学读出装置用于测量每个脉冲内中子探头阵列探测的所有中子的到达时间及位置信息，并将所述测量的所有中子的到达时间及位置信息传输至所述处理单元。
10.一种材料组成的无损检测方法，采用如权利要求1-9中任一项所述的白光中子成像方法，所述材料样品位于转动平台上，包括以下步骤：
步骤21、转动位于转动平台上的样品，采用所述白光中子成像方法得到不同角度放置样品时不同位置处的中子通量，得到不同角度的一系列连续的具有中子能量信息的中子透射图像；
步骤22、处理单元根据所述不同角度的一系列连续的具有中子能量信息的中子透射图像，利用断层重建算法得到空间单元格点的透射信息；
步骤23、处理单元将所述空间单元格点的透射信息与核数据库中核素的全截面数据进行对比，得到所述材料的组成。
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CN102221516A (zh) * 2011-03-17 2011-10-19 中国科学院化学研究所 中子反射谱仪单色器的调节装置和用其调整单色器的方法
CN102735701A (zh) * 2012-07-05 2012-10-17 重庆大学 一种核部件多参数集成检测***
CN103971779A (zh) * 2014-05-21 2014-08-06 电子科技大学 一种小型中子源及其制备方法

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