中子照像和断层成像 使用非反应堆中子源的挑战.pdf

Presented to the International Meeting on Tomographic Techniques for Industry and Medicine, October 1991, Cesena (Forli’) Italy 中子照像和断层成像：使用非反应堆中子源的挑战 Eric McFarland1, 2Richard Lanza11麻省理工学院，核工程系 加州大学化学和核工程系 2加州大学圣巴巴拉分校，化学与核工程系 摘 要 对于复杂材料和工程装配的无损检测，中子成像较之 X 射线和其它传统成像技术具有多种理论上的优势主要的缺点是缺少可用的强中子源以及难以实现高分辨率的中子位置测量我们的分析表明利用通量小于 108n/cm2的中子对于某些特定的材料， 能够获得 1%的腐蚀变化反差分辨和 500µm 空间分辨的图像我们设计和搭建了一个原型位置灵敏中子探测器，用于材料和复杂组装的二维和三维成像，该装置利用中子闪烁屏和制冷 CCD 来成像在该装置中，探测器受量子限制，能够利用非反应堆的中子进行成像 介 绍 成像已经逐渐成为对复杂物品和结构进行无损检测和评估（NDT/NDE）的一个重要工具。

对物理结构按照其实际的空间相对位置和方向进行可视化，不仅使探测成为可能，而且也有助于理解缺陷发展和器件失效的基本机制在 NDT和 NDE 中有几种常用的方法，如 X光照像、声波成像和阻抗成像每一种方法都有其重要应用和局限性还有一些无法解决的成像问题需要研究改进的方法和技术中子照像技术出现在 1948 年，但是直到二十世纪六十和七十年代，它才在工业中被广泛应用[1-4]一些因素限制了中子成像进入常规应用，但是在二十世纪九十年代，产生了几种令人感兴趣的 NDT方法 早期腐蚀探测产品一直面临着许多工程上的难题最近几次众所周知的飞机失事事件的直接原因都是因为腐蚀没有被检测到海洋环境下结构的腐蚀是造成故障的主要原因电厂的各种设备都面临应力侵蚀失效的问题，因此可靠的 NDT/NDE方法至关重要 新的合成材料例如硼纤维增强铝正在航空和其它高科技工业中得到应用没有常规的方法能对它进行质量保证和使用中的检测当这些新的材料进入各种工程应用时，必须研究相应的检测方法 对完整装配体中的润滑剂分布和密封完整性的检测是个大问题，当前的主要解决方法是拆开检查这些方法成本高而且不可靠，有时无法搞清楚失效机理放射性燃料组件的常规检测和使用前检测，爆炸物的探测和检查，岩心样品的地球物理特性的检测是另外一些很重要的NDT/NDE 问题，需要新的方法和技术来解决。

下面我们要展示的是：中子是一个可以解决其中某些重要问题的理想探测手段中子相互作用几率对核结构的依赖性决定了不同的材料对中子的吸收系数经常会相差几个量级大家都知道中子具有照相的能力，但是有几个因素阻碍了它的应用最主要的是缺乏强的中子源，另外中子探测技术在位置灵敏方面也受到限制大多数早期的工作是用反应堆源和胶片探测器来做的，这对日常的 NDE和 NDT 来说是难以实现的几种重要的技术已经出现或者发展了，使中子成像重新成为值得研究的领域：（1）逐渐可用的小型强中子源； （2）图像处理技术上的巨大进步； （3）光电设备如电荷耦合器件（CCD）成本的降低和分辨率的增加，使得可以开发新的探测器设备 背景和理论 透射成像：人们已经开发出几种用于常规 NDT和 NDE 的方法最常用的是光学、超声、阻抗和射线照像方法所有的成像方法都有三种常见的评价指标：信噪比（SNR） 、 对比度和分辨率光学方法产生高分辨率的图像，但由于穿透性差，只能用于测量表面特征声波对许多微观研究来说是一种很好的探测手段 超声成本低而且便携， 但是它的分辨率和探测范围都有限，对成分变化也不敏感阻抗成像的成本也很低，且易于携带，但同时也有分辨率低和穿透性差的缺点。

大多数方法对空的和大的缝隙都比较敏感，却几乎无法获取化学组成方面的信息 利用射线进行探测的方法可以分为透射或者发射方法 X 射 线照像和断层成像是透射方法X 射线成像对 缝隙和空隙敏感，同时对由于成分变化导致的电子密度大的变化也敏感对于富含水分的人体组织中钙的探测就是一个实例在非医学领域的 X 射 线 成像中，电磁辐射被用作探测手段的原因是：方便、成本和经验，而不是灵敏度或特异性实际上，尽管 X 射线成像对于主要成分为水的人体组织基体中的相对较高原子序数的成像非常理想，但是它并不非常适用于对高 Z 基 体中的低 Z特征（例如腐蚀产物）进行成像 在所有的透射成像方法中，感兴趣的物理量都是线性吸收系数µ(cm-1)，以及基体的µ 和感兴趣物体的µ之间的差 dµ许多因素影响µ和 dµ， 包括化学组成、物质密度以及探测手段类型 对给定的成像问题，该使用哪一种探测类型，我们可以有目的地提出这个问题：对于整体特征为µ 的 基体， 如何在厚度为 的单位体积x∆ V∆ 内获得最佳的探测性能 或者更为具体的问题：在有噪声的情况下，要在基体上探测 dµ的 差别，需要的最小粒子通量是多少？ 我们只需假设吸收定理成立： dN=µdX (1) 需要探测的特征由它的线性吸收系数µ +dµ来决 定。

对于任何透射成像方法，成像质量的基本限制都是成像过程所存在的固有的统计误差对比度分辨能力由该统计性决定 考虑一个µ = µ吸收 的纯吸收体 如果入射通量为 φ(粒子 数/cm2)，且没有粒子穿过 的特征区，则将有 N 个粒子进入 探测器，探测器的分辨率为( x)2/象 素与之相比穿过特征区的粒子的数量将会减少V∆ ∆N∆ dxNµµ εµ⎡⎤∆⎢⎥⎣⎦() 其中 ε 表示探测效率如果我们假设基体的因子µ为纯吸收，那么： 2()DNxeµφ−=∆ (3) 为了在噪声水平上探测到 ，需要探测器的统计误差N∆ Nε 必须至少小于 或者： N∆[]dNxNµε µµ≤∆ε (4) 替换掉 N，我 们得到： 2() ( /) [() ]DNxedxxe2/Dµε εφ µ µ µ φ ε−=∆ ≤ ∆∆−(5) 那么需要的最小的入射通量（不考虑粒子类型） ，为： 222 4/()()Decmdxµφµεµµ>∆粒子 (6) 方程 6 给出 了为了将厚度为 D 的 基 体中大小为 x∆ 的特征可视化所需要的最小的通量，其中特征点与基体的线性吸收系数差异仅为 dµ。

或者说，在给定的通量和分辨率下，可探测到的相对反应截面 /dµ µ 为： 221/()()Ddexµµµµ φε⎛⎞>⎜⎟∆⎝⎠2(7) 方程 6 和 7中对分辨率的强依赖性使我们可以使用相对弱一些的源，但分辨率最好不要变坏 图 1 画出了 以 dµ/µ自变 量的所需通量 （粒子数/cm2） 的函数曲 线 D 设 为 10 cm， Δ x 设 为 500µm，图中显示了三个µ 值： µ =3、1 和 0.1cm-1定性 地说，最小的 dµ/µ 值应 该约大于 5～ 10 以保证最小的通量需求另外，如果我们用于成像的源强（对任何探测类型）最大为 1010，那么基体的µ应该约 小于 1，否则 能穿过的粒子数目就太少了 图 2 表明， 对于厚度为 D 的物体， 我们要选择一个射线类型， 使得它在物体中的线性吸收系数为µ，此时能 够以最小的通量来探测给定的 dµ/µ通过令方程 6 最小， 我们得到µ = 2/D 为了获取最优的射线类型，通用的表达式给出了以下的定性要求： /10ϑµµ> 并且对于大多数 D（物质 中的实际路径长度）为 2 到 20 cm的 NDE/NDT应用来说： 0.1 1） 而 对 比度又太小 （dµ/µ <10） 。

快中子由 于同样的原因也不适合 而热中子则在两方面都有优势，它既有小的基体吸收系数，对于低 Z材料，又有高对比度 为了估计利用中子探测微小缺陷所需要的通量， 我们可以假设大小为 D=10cm 的铝基 体中存在一个大小为 0.5x mm∆= 的腐蚀损伤，其中含有 1%的水腐 蚀产物从表 1 可以看 出，µ = 0.1 cm-1， dµ =(0.01×3 .4+0.99× 0.1-0.1)cm-1，dµ/µ =0.33那么 所需的总的通量为 4×108n/cm2在 400 秒的 数据获取时间内，并假设是热中子束且经过良好准直，那么所需要的通量为106n/cm2· sec对于含 10%水的缺陷， dµ/µ = 3.3，将只需要 104n/cm2·sec 源 上面的讨论只谈论怎样将所需通量减小在实际应用中，各向同性且输出为 108～1 010光子/cm2·s ec～ (109～1 010光 子/c m2·R)的 X 射线源 在市场上更易于获得高通量易得，但能区往往不对，聚焦尺寸也不合适另一方面，热中子源却并不容易获得，并且在慢化和准直中会有相当大的通量损失 对于非反应堆源， 1010～1 012n/cm2·sec 的快 中子通量是可以得到的， 但是，在慢化和准直之后， （L/D =100） ，中 子至少要减少 105倍， 表 2 列出了 几种用于照相的射线源。

最有前途的非反应堆源是氘—氚加速器源和致密等离子聚焦（DPF）源 断层成像 平面成像技术受限于它的本质像的密度变化代表了在射线穿透物体所经过的路径上的积分反应截面内部细节很容易隐藏在这个等效平均中断层成像使用投影重建的方法能够获取二维或者三维的细节，从而实现断面的可视化；保留射线吸收的空间分布信息从而能够得到物体的内部构造[5] 利 用 X 射线 CT 可 以发现 0.02% 大小的线性 吸收系数差别[7] 中 子计算机断层成像由于中子截面通常会相差好几个量级，因此会获得更高的分辨率或更高的灵敏度[8– 17] 中子断层 成 像系统 上面已经谈到了，中子可以作为一个高灵敏的工程材料探测方法，具有其它射线方法所没有的优势利用中子进行投影断层成像，为以前那些截面性能很差的物体，提供了一种检查方法 对平面分辨率的要求为 0.5mm， 希望 中子通量为 105–107n/cm2·sec， 我们目前已经在设计一个近乎完美的位置灵敏中子探测器，并且研究满足通量需求的中子源[17] A.系统 结构 和探测器 系统的实验结构如图 3 所示一个平行的方形中子束从源中发射出来待成像的样品放置在一个旋转的样品架上， 样品架处于射线束中。

穿过样品的中子被闪烁屏以效率 ε 吸收 在屏上生成的光子经过一个镜子然后进入电荷耦合器件（CCD） 探测器，该探测器是一个 n× m 像 素的方形阵列在 CCD 像 素上生成的光电子形成的电信号正比于下面所描述的屏上所探测到的中子 B.探测 系统 为了探测中子，我们使用了一个6LiF-ZnS（Nuclear Ent erprise NE426） 闪烁体，通过前表面反射镜和透镜[17， 18]成像到一 个冷却的电荷耦合器件 （CCD） 上 NE426 屏发出 的蓝—绿光是针对胶片应用进行了优化的，对冷却 CCD的响应并不是最优屏对于垂直入射的热中子的探测效率sε 为 0.15(15%)， 光输出 Nγ为 1.7×105光 子 /中子 探 测器对 γ 的探测效率最小[16]如果需要提高探测屏的固有探测效率，可以将屏相对垂直于入射中子的平面翘起α角，如图 3所示，这样做的代价是降低了某一维的空间分辨率 在闪烁体中产生的荧光被前表面反射镜反射，然后穿过透镜进入 CCD 这种几何结构允许CCD 被屏蔽， 以免中子照射而对探测器造成损伤同时也消除了在其它文献中提到的中子活化噪声整个装置被放置在光密封的铝盒子中。

CCD 工作在积 分模式，然后读出到数据采集和显示计算机中 对 CCD 类 型的选择取决于所需的空间分辨率 NE426 闪烁 屏的分辨率为 。