CN115639229B - 多毛细管会聚透镜的中子成像谱仪及其成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多毛细管会聚透镜的中子成像谱仪及其成像方法，准平行中子束从中子源的矩形引出口射出并通过限束孔到达多毛细管会聚透镜的入口端，中子在多毛细管会聚透镜的微通道内表面发生多次全反射最终会聚于透镜焦点处，随后又会沿着中子束传播方向发散，穿透样品台上的待测样品后被闪烁屏捕捉并转化为光信号，光信号经过45°反光镜反射后被图像采集器所记录。本发明利用多毛细管会聚透镜将准平行中子束调控为尺寸小于150um的焦斑，利用聚焦束的收敛以及随后的发散特性，可照射透镜焦点后一定距离处的待测样品获取该样品放大的透射投影图像。
Description
技术领域
本发明涉及一种多毛细管会聚透镜的中子成像谱仪及其成像方法，属于射线照相无损检测技术领域。
背景技术
传统的中子照相系统主要包括中子源、准直器、样品台、闪烁屏、成像系统以及辐射屏蔽材料。来自中子源的中子束经准直器准直后穿透样品，透射中子产生强弱不一的空间分布并投射到中子闪烁屏，与闪烁屏的中子转换物质作用产生带电粒子，随后带电粒子与中子闪烁屏的荧光物质作用产生可见光，最终由中子相机所记录，将物质内部结构转换为透射投影图像。
成像分辨率是中子照相系统的重要性能指标之一，它决定了能够分辨的待测样品的最小细节，提高成像分辨率对于有效利用中子照相技术具有重要意义。成像分辨率主要与中子照相系统的闪烁屏和中子相机有关。
中子是一种不带电的亚原子强粒子，不会引起物质电离，几乎不与核外电子相互作用。因此对中子的探测往往通过对中子与原子核相互作用所产生的次级粒子的检测来实现。闪烁屏的主要作用是将中子转换为可见光而被探测系统接收成像，其性能对成像分辨率有直接影响。由富氢材料（聚乙烯、聚丙烯、环氧树脂等）与荧光材料（多为ZnS（Ag）或Gd2S2O荧光材料）组成的混压转换屏是目前成像分辨率较好的一类闪烁屏，其成像分辨率在0.5mm左右。但是，这类闪烁屏自身不透明，存在严重的光子自吸收现象，所以闪烁屏厚度均在毫米量级，这导致了低探测效率。在保持高成像分辨率的同时兼顾探测效率和低伽马本底噪声干扰是闪烁屏设计领域的热门研究问题。
目前的中子成像相机中，传统CCD相机每像素尺寸通常小于10um，或者在10~20um之间，具有高空间分辨率，不具备时间分辨功能。国内最新开发的中子探测器每像素尺寸为55×55um2，尽管空间分辨率不如传统CCD相机，但具有高时间分辨率，意味着可利用中子飞行时间法获取每个中子的对应波长。更小像素尺寸对相机制作工艺提出了更高的挑战。
发明内容
传统的中子照相系统配备有准直器，用于对中子源引出的中子束限束，以便于使入射中子束与中子源引出口后端的相应部件匹配。传统中子照相系统提供准平行的中子束。在本发明中，准直器后方增加多毛细管会聚透镜可以将准平行中子束会聚于透镜焦点处同时使焦斑强度呈现二维高斯分布，利用会聚束的收敛和随后的发散特点，可实现对待测样品的放大成像，从而提高成像分辨率。
多毛细管会聚透镜的中子成像谱仪，包括中子束流系统、样品台、成像系统、控制系统；
中子束流系统包括准平行中子束、矩形引出口、限束孔和多毛细管会聚透镜；
成像系统包括闪烁屏、45°反光镜和图像采集器；
控制系统包括步进电机控制器和计算机；
矩形引出口、限束孔、多毛细管会聚透镜、样品台、闪烁屏、45°反光镜、图像采集器沿着中子束的路径依次分布；
多毛细管会聚透镜安装在五维电动调节台上；
五维电动调节台依次与步进电机控制器和计算机连接；
图像采集器与计算机相连。
所述的准平行中子束，发散度为±6mrad，频率25Hz，中子波段为1~12Å；
矩形引出口尺寸为36×40mm2；
限束孔的直径为20mm，安装在矩形引出口处；
多毛细管会聚透镜包括40~80万个中空的圆形微通道，微通道呈六边形紧密排列；透镜外形轮廓为抛物面型；入口端对角尺寸为10~20mm，出口端对角尺寸8~10mm，后焦距
f为10~30mm。多毛细管会聚透镜具有大的中子接收面积，可将入射到透镜的准平行束调控为会聚中子束。
吸收片将多毛细管会聚透镜固定在铝制套筒里，铝制套筒固定在五维电动调节台上方的卡扣内。
铝制套筒为铝合金材质，呈圆柱形中空状，其长度为80mm，与多毛细管会聚透镜的长度接近，铝制套筒的内直径为12~24mm，厚度为2mm。吸收片的外直径与铝制套筒的内直径一致，保证无缝衔接，防止多余中子透射到成像区域；内直径根据多毛细管会聚透镜的入口端对角尺寸和出口端对角尺寸而定。
闪烁屏的材料通常为6LiF/ZnS或者GOS（Gd2O2S（Tb/6LiF））。
图像采集器为中子相机，可选择只具备空间分辨功能的CCD相机或者其他具有时间分辨功能和空间分辨功能的中子探测器。
上述多毛细管会聚透镜的中子成像谱仪的成像方法，包括以下步骤：
准平行中子束从中子源的矩形引出口射出并通过限束孔到达多毛细管会聚透镜的入口端，中子在多毛细管会聚透镜的微通道内表面发生多次全反射最终会聚于多毛细管会聚透镜的焦点处，随后又会沿着中子束传播方向发散，穿透样品台上的待测样品后被闪烁屏捕捉并转化为光信号，光信号经过45°反光镜反射后被图像采集器所记录。
本发明技术方案带来的有益效果：
由中子源发射的准平行中子束经由多毛细管会聚透镜调控可形成尺寸小于150um的焦斑，利用聚焦束的收敛以及随后的发散特性，可照射透镜焦点后一定距离处的待测样品获取该样品放大的透射投影图像。放大倍数约为1.5~3倍，可通过多毛细管会聚透镜与待测样品的距离来适度调整。
本发明在传统中子照相系统的基础上，通过对几何光路的改进提高了成像系统的有效空间分辨率，一些小尺寸样品和大样品的精细结构的成像分析将成为可能。本发明所述的成像谱仪可广泛应用于生物、材料、工业、农业、考古学等领域的微观结构测量，因而拓宽了传统中子照相技术的应用。
附图说明
图1为本发明多毛细管会聚透镜的中子成像谱仪装置示意图；
图2a为本发明多毛细管会聚透镜的装配结构一；
图2b为本发明多毛细管会聚透镜的装配结构二；
图3a为本发明多毛细管会聚透镜的微通道排列方式；
图3b为本发明多毛细管会聚透镜的外形轮廓；
图4a为本发明中子全反射原理示意图；
图4b为本发明多毛细管会聚透镜调控中子的原理示意图；
图5为本发明基于多毛细管会聚透镜的放大成像原理示意图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体技术方案。
如图1所示，多毛细管会聚透镜的中子成像谱仪主要由中子束流系统、样品台、成像系统、控制系统几部分组成。该成像谱仪是针对中国散裂中子源（CSNS）的BL20中子测量室来设计的。
中子束流系统包括来自CSNS线站的准平行中子束、矩形引出口1、限束孔2和多毛细管会聚透镜3；
成像系统包括闪烁屏6、45°反光镜7和图像采集器8；
控制系统包括步进电机控制器9和计算机10；
矩形引出口1、限束孔2、多毛细管会聚透镜3、样品台5、闪烁屏6、45°反光镜7、图像采集器8 沿着中子束的路径依次分布；
多毛细管会聚透镜3安装在五维电动调节台4上；
五维电动调节台4依次与步进电机控制器9和计算机10连接；
图像采集器8与计算机10相连。
限束孔 2 直径为20mm，安装在矩形引出口1处。
准平行中子束从中子源的矩形引出口1射出并通过限束孔2到达多毛细管会聚透镜3的入口端，中子在多毛细管会聚透镜3的微通道内表面发生多次全反射最终会聚于透镜焦点处，随后又会沿着中子束传播方向发散，穿透样品台5上的待测样品后被闪烁屏6捕捉并转化为光信号，光信号经过45°反光镜7反射后被图像采集器8所记录。
准平行中子束与矩形引出口1，波长范围为1~12Å、发散度为±6mrad的准平行中子束以25Hz频率从尺寸为36×40mm2的矩形引出口1射出。
限束孔2可用碳化硼等对中子作用截面大的材料制作。本发明方案中，将其安装在矩形引出口1处。由于矩形引出口1尺寸大于多毛细管会聚透镜3入口端面的尺寸，需要增加限束孔使束流尺寸与多毛细管会聚透镜3入口端面的尺寸匹配，保证照明面积刚好能够覆盖多毛细管会聚透镜3的入口端面，同时又能尽量降低散射中子对成像结果的影响。
五维电动调节台4的主要作用是光路校准和调节多毛细管会聚透镜3与放置在样品台5上的待测样品的相对位置。详细来讲，光路校准指调整多毛细管会聚透镜3的对称轴与准平行中子束的束流中心线重合，可以通过绿色引导激光器大致对准各部件后，再利用五维调节台4微调。
五维电动调节台4包括X、Y、Z三维正交平移和U、V两维角转动（分别控制旋转和俯仰）。计算机10可以通过与五维电动调节台4连接的步进电机控制器9远程控制多毛细管会聚透镜3的位置。
如图2a和图2b，多毛细管会聚透镜3的安装与定位通过铝制套筒32配合吸收片31来实现：利用吸收片31将多毛细管会聚透镜3固定在铝制套筒32里，随后将铝制套筒32固定在五维电动调节台4上方的卡扣内。卡扣设计便于多毛细管会聚透镜3的安装与拆卸。吸收片31为碳化硼等材料制成。
铝制套筒32为铝合金材质，呈圆柱形中空状，其长度为80mm，与多毛细管会聚透镜3的长度接近，铝制套筒32的内直径为12~24mm，厚度为2mm。吸收片31的外直径与铝制套筒32的内直径一致，保证无缝衔接，防止多余中子透射到成像区域；内直径根据多毛细管会聚透镜3的入口端对角尺寸和出口端对角尺寸而定。
样品台5用于放置待测样品，本发明方案中，样品台固定不动，通过移动多毛细管会聚透镜3沿对称轴方向的位置来改变其与待测样品的距离，从而调节放大倍数
M。当然，样品台5也可以设置成位置可调节模式，比如用三维电动调节台或其他类型调节台，具体根据实验需求而定。
闪烁屏6具有将中子转化为荧光信号的功能，通常为6LiF/ZnS和GOS（Gd2O2S（Tb/6LiF））等材料。
来自闪烁屏6的荧光信号由45°反光镜7反射后发生90°偏转，随后被图像采集器8接收。散射中子和高能伽马射线并不会被45°反光镜7反射，因此这样设计可避免图像采集器8直接暴露在辐照环境中，有利于延长图像采集器的使用寿命。
图像采集器8用于接收荧光信号并在计算机10端输出样品的透射投影图像，需配合闪烁屏和45
°反光镜使用，三者组成了本发明所述谱仪的成像系统。根据闪烁屏6转化的荧光信号波长范围，成像系统还配有与荧光波长兼容的图像增强器。为避免自然光和散射中子对成像造成的本底干扰，本发明所设计谱仪的成像系统封装在一个暗箱中。成像系统可固定不动，也可设计为可平移式：暗箱底部安装三维正交平动的电动平移台，通过步进电机控制器9被计算机10所控制。图像采集器8的参数通过计算机10可调。
图像采集器8为中子相机，可选择CCD相机或其他类型相机。
本发明采用的多毛细管会聚透镜3材质为硅酸盐玻璃或者铅玻璃，可将准平行中子束调控为会聚中子束，其结构特点为：通常由40~80万个中空的圆形微通道组成，微通道内直径
d约10um，呈六边形紧密排列，如图3a。多毛细管会聚透镜的长度
L约为80mm，沿其对称轴（z轴）的外形轮廓呈现抛物面型。透镜入口端的对角尺寸
D通常为10~20mm，在保证透镜传输性能符合要求的同时，尽量设计大的对角尺寸以提高中子束流利用率。透镜出口端的对角尺寸
D通常为8~10mm，后焦距
f为10~30mm。
图3a和图3b中，
d—单个微通道的内直径；
D—透镜端面的对角尺寸；A-A—透镜的入口端面；
L—透镜长度。
中子全反射原理示意图如图4a和图4b，图中为入射角，为出射角，。101.入射中子射线；102.反射中子射线；103.反射平面；104.多毛细管会聚透镜的单个微通道；105.多次反射的中子射线。
图4a根据中子的全反射原理，当中子射线的入射角小于等于全反射临界角时，中子将完全被反射而几乎不发生折射。中子的全反射临界角与中子波长和反射平面的元素组成有关，可通过以下公式计算：
其中，为入射中子的波长， 为原子的散射长度，为核子数密度。根据多毛细管会聚透镜材质（硅酸盐玻璃或者铅玻璃）的元素组成与比例，单位波长中子的全反射临界角为1.05mrad/Å。
图4b入射中子束在微通道的光滑内表面进行上百次反射后离开微通道出口。多毛细管会聚透镜通过其外形曲线引导和改变入射中子束的方向，最终使中子向透镜焦点处会聚。
对于材料组分确定的毛细管会聚透镜，其全反射临界角线性正比于中子波长，因而有利于长波长中子的传输。本课题组相关实验已证明多毛细管会聚透镜对1~12Å波段范围的中子具有调控作用，尤其对8~12Å波段范围的中子具有高传输效率，对应波段范围的焦斑尺寸最优能达到150um左右。
图5为基于多毛细管会聚透镜的放大成像原理示意图。其中，11.准平行中子束；3.多毛细管会聚透镜；12.透镜焦点；13.待测样品；6.闪光屏。
如图5所示，图中
f为多毛细管会聚透镜3的后焦距，待测样品13与透镜焦点12的距离为
d 1（mm），待测样品13与闪烁屏6的距离为
d 2（mm）。根据光线传播特性可知，锥束发散的光源具有几何放大成像功能。所述传播特性可解释为：在发散光束路径内的任何吸收中子的物体，在更远的地方都会投下放大的影子。放大倍数
M通过以下公式计算：
毛细管会聚透镜3调控准平行中子束11向透镜焦点12处会聚，利用会聚束的收敛和随后的发散特点，实现对待测样品13的放大成像。
具体的操作方法：
参考图5，待测样品13位置固定，到闪烁屏6的距离保持为常数，通过移动多毛细管会聚透镜3到待测样品13的距离（
f+
d 1）来调整几何放大倍数
M。多毛细管会聚透镜3的入口端面是完全照亮的，因此多毛细管会聚透镜3沿着对称轴平移不会引起入射束强度的变化。考虑到离焦平面的中子焦斑强度下降，
d 1大概控制在2mm左右，可实现放大倍数为1.5~3倍。同时，随着
d 1的增大，照射到待测样品13上的中子焦斑强度下降，需要更长的成像曝光时间。
Claims (5)
1.多毛细管会聚透镜的中子成像谱仪，其特征在于，包括中子束流系统、样品台、成像系统、控制系统；
中子束流系统包括准平行中子束、矩形引出口（1）、限束孔（2）和多毛细管会聚透镜（3）；
成像系统包括闪烁屏（6）、45°反光镜（7）和图像采集器（8）；
控制系统包括步进电机控制器（9）和计算机（10）；
矩形引出口（1）、限束孔（2）、多毛细管会聚透镜（3）、样品台（5）、闪烁屏（6）、45°反光镜（7）、图像采集器（8）沿着中子束的路径依次分布；
多毛细管会聚透镜（3）安装在五维电动调节台（4）上；
五维电动调节台（4）依次与步进电机控制器（9）和计算机（10）连接；
图像采集器（8）和计算机（10）连接；
所述的准平行中子束，发散度为±6mrad，频率25Hz，中子波段为1~12Å；
所述的多毛细管会聚透镜（3）包括40~80万个中空的圆形微通道，微通道呈六边形紧密排列；透镜外形轮廓为抛物面型；透镜入口端对角尺寸为10~20mm；出口端对角尺寸为8~10mm，后焦距f为10~30mm；所述的多毛细管会聚透镜（3）通过吸收片（31）固定在铝制套筒（32）里，铝制套筒（32）固定在五维电动调节台（4）上方的卡扣内；
所述的图像采集器（8）为中子相机，或者具备空间分辨功能的CCD相机或者具有时间分辨功能和空间分辨功能的中子探测器。
2.根据权利要求1所述的多毛细管会聚透镜的中子成像谱仪，其特征在于，所述的矩形引出口（1）尺寸为36×40mm2。
3.根据权利要求1所述的多毛细管会聚透镜的中子成像谱仪，其特征在于，所述的限束孔（2）直径为20mm，安装在矩形引出口（1）处。
4.根据权利要求1所述的多毛细管会聚透镜的中子成像谱仪，其特征在于，所述的闪烁屏（6）的材料为6LiF/ZnS或者GOS（Gd2O2S（Tb/6LiF））。
5.根据权利要求1到4任一项所述的多毛细管会聚透镜的中子成像谱仪的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
准平行中子束从中子源的矩形引出口（1）射出并通过限束孔（2）到达多毛细管会聚透镜（3）的入口端，中子在多毛细管会聚透镜（3）的微通道内表面发生多次全反射最终聚于多毛细管会聚透镜（3）的焦点处，随后又沿着中子束传播方向发散，穿透样品台（5）上的待测样品后被闪烁屏（6）捕捉并转化为光信号，光信号经过45°反光镜（7）反射后被图像采集器（8）所记录。
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