專利名稱：中子相襯層析成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及中子相襯成像技術(shù)，特別是一種中子相襯層析成像裝置。
1.中子相襯成像技術(shù)或許是在X射線相襯成像技術(shù)的啟迪下，美國和歐洲的一個聯(lián)合小組，發(fā)展了一種同軸中子相襯成像方法，他們采用冷中子、相應(yīng)的de Brogile、波長為0.433nm，成功地觀察到黃蜂的腿關(guān)節(jié)和翅膀的某些細(xì)節(jié)。
我們知道，無論是光波或者物質(zhì)波，當(dāng)通過物體時，要產(chǎn)生散射和吸收，在離樣品適當(dāng)距離將獲得清晰的樣品吸收襯度像，這是常規(guī)顯微和層析的成像基礎(chǔ)。
從X射線光學(xué)中我們已經(jīng)知道X射線的折射率nx＝1-δ，δ＝r0λ2Natf/2π，式中，λ為X射線波長，r0經(jīng)典電子半徑，Nat單位體積內(nèi)原子數(shù)密度，f為原子散射因子。從中子光學(xué)可知，中子的折射率具有和X射線相同的形式，即nn＝1-λn2N(b±p)/2π，式中，N也是單位體積內(nèi)的質(zhì)子數(shù)，λ是中子波長，b是原子核散射系數(shù)，p是由于電子自旋引起的磁散射系數(shù)。從上面可以看出，折射率n兩種形式幾乎一致，對于同樣的波長，中子δ(λn2N(b±p)/2π)比X射線的δ值小一個量級。盡管1-δ和1的差值只有10-6，但當(dāng)使用非常小的λ值時，即使是不太大的厚度或密度的變化，也可能產(chǎn)生相當(dāng)大的位相畸變。如果采用相干光或部分相干光通過物體時，除了吸收以外，還要產(chǎn)生位相變化，即發(fā)生波前的畸變。這種波面畸變導(dǎo)致部分波面的傳播方向發(fā)生變化，使波面重疊而形成干涉，這樣，位相變化轉(zhuǎn)化成強(qiáng)度變化，這是相襯成像的物理基礎(chǔ)，也是相襯層析的物理基礎(chǔ)，更為重要的是，這種圖像不經(jīng)任何重構(gòu)技術(shù)，可直接獲得位相變化圖像。
中子相襯的實(shí)驗(yàn)裝置如

圖1所示。
從中子源1發(fā)出的中子束經(jīng)針孔2以后，變成一個球面波入射到樣品3上，在距樣品31.8米處，放置一探測器4，就可獲得樣品3的位相襯度像(見在先技術(shù)B.E.Allman，P.J，McMahon等，Nature，2000，Vol408，9Nov.)上述方法的缺點(diǎn)是不能給出樣品中位相信息的三維分布。
2.中子層析成像當(dāng)中子束通過衰減系數(shù)μ、厚度為l的介質(zhì)時，其衰減遵循比爾(Beer)定律I＝I0exp(-μl)當(dāng)物體在投影方向衰減系數(shù)不均勻時，應(yīng)有線積分I=I0exp[-∫-∞+∞μ(l)dl]]]>當(dāng)介質(zhì)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Iφ(xr)=I0exp[-∫-∞+∞μ(xr,yr)dyr]]]>對上式兩邊取對數(shù)，使方程線性化，得到新函數(shù)λφ=-lnIφ(xr)I0=∫μ(xr,yr)dyr]]>層析任務(wù)就是用所測得的λφ(xr)去得到μ(xr，yr)的分布。經(jīng)過幾代數(shù)學(xué)家的努力，發(fā)展了各種各樣的方法。通常用以下兩種方法進(jìn)行圖像復(fù)原Δ代數(shù)法包括迭代法、回投影法Δ解析法包括拉冬法、傅里葉濾波法、卷積法、濾波回投影法等。
一個有趣的現(xiàn)象是，硬X射線的吸收系數(shù)隨著原子序數(shù)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，中子的吸收系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硬X射線。
對于大部分重金屬，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(bǔ)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(jī)材料的檢測，如潤滑油、塑料、金屬外殼內(nèi)的密封圈等很靈敏，對某些復(fù)雜的、要求非?？量痰?、運(yùn)用在汽車行業(yè)上和宇航工業(yè)的大型重金屬元件，中子層析也非常有價值。
中子層析實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示，平行中子束1入射到樣品3上，樣品3置于轉(zhuǎn)動平臺9上，中子經(jīng)樣品吸收以后，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(zhuǎn)換為級聯(lián)光子，然后經(jīng)鋁鏡5反射到CCD相機(jī)6上，輸入到計算機(jī)7上去，當(dāng)計算機(jī)讀到來自于CCD相機(jī)6上的信號以后，控制轉(zhuǎn)動平臺9轉(zhuǎn)動一個角度，進(jìn)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(jī)6都放置在暗箱8中。
在取得足夠的投影數(shù)據(jù)以后，計算機(jī)將給出整個樣品圖像(參見在先技術(shù)S.Koemer，B.Schillinger，et al.，“Aneutron to mography facilityat a low power researcu reactor”，Nuclear Instruments&Methodsin Physics Research，2001，A471，69-74.)這種層析的最大缺點(diǎn)是(1)不能給出樣品中位相的三維空間分布；(2)如果兩個吸收系數(shù)相近的元素，這個方法難以分辨，例如對于生物組織的測試，對比度差，分辨率低。
所述的CCD相機(jī)被置于液氮中。
所述單晶鋁的曲率半徑選擇范圍一般在50～100米。
所述鋁鏡是在2毫米玻璃基片上的鋁膜上，鍍有一層保護(hù)膜構(gòu)成的。
所述中子束(1)是從裂變反應(yīng)堆中子源輻射，并經(jīng)準(zhǔn)直器出射的中子束，該準(zhǔn)直器實(shí)際上是一具有矩形或圓形截面的鋼盒或鋼筒構(gòu)成的，所述的準(zhǔn)直器是長度L和口徑D之比為L/D≈100。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是(1)本中子相襯層析成像裝置兼?zhèn)淞讼嘁r和層析的各自優(yōu)點(diǎn)，能高分辨率地重構(gòu)待測樣品的三維空間位相分布。
(2)能測試和分辨吸收系數(shù)非常相近的樣品的空間結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)是非常難能可貴的。這對于生物組織而言非常有利。
(3)不采用干涉術(shù)能測到樣品的三維位相空間分布。
平行中子束1經(jīng)一對單晶鋁10、11形成的單色聚焦器單色化以后，入射到放置在轉(zhuǎn)動平臺9上的樣品3上，中子被樣品衍射以后，衍射信號被放在暗箱8中的閃爍體4接收，并轉(zhuǎn)化成含有樣品信息的可見光，被鋁鏡5反射到CCD相機(jī)6上，數(shù)字化以后輸入到計算機(jī)7，由計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字重構(gòu)。
所說的中子束1是從裂變反應(yīng)堆中子源輻射，并經(jīng)準(zhǔn)直器出射的中子。該裂變反應(yīng)堆中子源是把鈾和钚等裂變材料作燃料，以中子為媒介，維持可控鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的裝置，稱為裂變反應(yīng)堆，這種裝置可獲得高通量的中子輻射，可達(dá)1013～1020中子數(shù)/秒，可以長期運(yùn)行，并由一個具有矩形或圓形截面的鋼盒或鋼筒準(zhǔn)直，從準(zhǔn)直器中出射的中子，其發(fā)散度等于孔徑和長度的比值，顯然只要縮小孔徑和增加長度即可大大改善發(fā)散度，獲得準(zhǔn)平行中子束。
所說的單晶鋁10和單晶鋁11，互相垂直放置共同組成單色聚焦器，由于具有一定的曲率，其R＝100m，因此既具有色散作用，又有聚焦功能。平行入射中子束1和單晶鋁10成掠入射角θ時，產(chǎn)生布喇格反射，當(dāng)單晶鋁11和單晶鋁10垂直放置時，它能將單晶鋁10聚焦的一條線變成一個焦點(diǎn)，即用單晶鋁11校正單晶鋁10的像散。單色中子束1進(jìn)入到待測樣品3中以后，只有特定的入射角θ才滿足布喇格公式的衍射加強(qiáng)。因此，通過入射角θ的選擇，可以選擇樣品中不同元素進(jìn)行層析成像。
所說的轉(zhuǎn)動平臺9受一步進(jìn)馬達(dá)(圖中未示)的驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，待測樣品3放在該轉(zhuǎn)動平臺9上亦同時旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
所說的閃爍體4為ZnS(Ag)-LiF。由于中子在物質(zhì)中不能直接引起原子的電離，沒有電流輸出，所以本實(shí)用新型中采用ZnS(Ag)-LiF。樣品3中產(chǎn)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(chǎn)生級聯(lián)可見光子。
所說的鋁鏡5用于將閃爍體4產(chǎn)生的可見光反射到CCD相機(jī)6上，CCD相機(jī)6為商業(yè)用CCD。
本實(shí)用新型裝置的工作過程大致如下一準(zhǔn)平行中子束1經(jīng)單晶鋁10、11聚焦和單色化以后，入射到放在轉(zhuǎn)動平臺9上的樣品3上，出射的中子被閃爍體4接收，并轉(zhuǎn)化成含有樣品信息的可見光，經(jīng)鋁鏡5反射到放在液氮中冷卻的CCD相機(jī)6上，數(shù)字化后輸入到計算機(jī)7上。計算機(jī)7收到信號的同時，驅(qū)動步進(jìn)馬達(dá)，帶動轉(zhuǎn)動平臺9自動進(jìn)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(nèi)的取樣，之后將轉(zhuǎn)動平臺9帶動樣品3作向上或向下運(yùn)動，進(jìn)入另一個斷面，重復(fù)上述測試，最后進(jìn)行數(shù)字重構(gòu)，獲得樣品3的三維位相分布圖。
樣品3出射的中子束，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(chǎn)生級聯(lián)可見光子，經(jīng)鋁鏡5反射到CCD相機(jī)6上，鋁鏡5是選擇厚為2mm的玻璃板作片基，在鋁膜上鍍有一層保護(hù)膜，選擇鋁鏡的目的在于，不讓中子束直接入射到CCD相機(jī)6的芯片上，以免芯片被損壞。為了減小CCD相機(jī)6的暗電流，將其放入到液氮中進(jìn)行冷卻，這對于使用較低中子通量、長時間曝光的實(shí)驗(yàn)非常重要，閃爍體4，鋁鏡5和CCD相機(jī)6要放在暗盒8中，以免雜散的可見光影響測試數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動平臺9，測得各樣品的不同斷面的位相以后，就可用計算機(jī)進(jìn)行重構(gòu)。
本實(shí)用新型中，中子相襯層析成像系統(tǒng)也可以用來進(jìn)行中子相襯和中子層析成像研究，該系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)、材料結(jié)構(gòu)、考古學(xué)、航天航空、宇宙化學(xué)和兵器工業(yè)等方面有著極為廣泛的應(yīng)用前景，這一新的技術(shù)、新的方法，為人們探索新的自然規(guī)律提供了一個強(qiáng)有力的工具。
權(quán)利要求1.一種中子相襯層析成像裝置，包括轉(zhuǎn)動平臺(9)、閃爍體(4)、鋁鏡(5)、CCD相機(jī)(6)、計算機(jī)(7)和暗箱(8)，所說的閃爍體(4)、鋁鏡(5)和CCD相機(jī)(6)放在暗箱(8)中，中子束(1)入射到放置在轉(zhuǎn)動平臺(9)上的樣品(3)上，中子被樣品(3)產(chǎn)生的衍射中子垂直入射，被閃爍體(4)接收，轉(zhuǎn)化為含有樣品信息的可見光，被鋁鏡(5)反射進(jìn)入到CCD相機(jī)(6)上，數(shù)字化后轉(zhuǎn)入到計算機(jī)(7)，其特征是①在轉(zhuǎn)動平臺(9)之前還設(shè)有互相垂直放置的、具有一定曲率的單晶鋁(10)和單晶鋁(11)構(gòu)成的單色聚焦器；②所述轉(zhuǎn)動平臺(9)的步進(jìn)馬達(dá)受到計算機(jī)(7)的指令而轉(zhuǎn)動，驅(qū)動轉(zhuǎn)動平臺(9)旋轉(zhuǎn)或上、下運(yùn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子相襯層析成像裝置，其特征在于所述的CCD相機(jī)被置于液氮中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子相襯層析成像裝置，其特征在于所述單晶鋁(10、11)的曲率半徑選擇范圍一般在50～100米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子相襯層析成像裝置，其特征在于所述鋁鏡(5)是在2毫米玻璃基片上的鋁膜上，鍍有一層保護(hù)膜構(gòu)成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子相襯層析成像裝置，其特征在于所述中子束(1)是從裂變反應(yīng)堆中子源輻射，并經(jīng)準(zhǔn)直器出射的中子束，該準(zhǔn)直器實(shí)際上是一具有矩形或圓形截面的鋼盒或鋼筒構(gòu)成的，所述的準(zhǔn)直器是長度L和口徑D之比為L/D≈100。
專利摘要一種中子相襯層析成像裝置，包括轉(zhuǎn)動平臺、閃爍體、鋁鏡、CCD相機(jī)、計算機(jī)和暗箱，所說的閃爍體、鋁鏡和CCD相機(jī)放在暗箱中，中子束入射到放置在轉(zhuǎn)動平臺上的樣品上，中子被樣品產(chǎn)生的衍射中子垂直入射，被閃爍體接收，轉(zhuǎn)化為含有樣品信息的可見光，被鋁鏡反射進(jìn)入到CCD相機(jī)上，數(shù)字化后轉(zhuǎn)入到計算機(jī)，其特征是①在轉(zhuǎn)動平臺之前還設(shè)有互相垂直放置的、具有一定曲率的單晶鋁和單晶鋁構(gòu)成的單色聚焦器；②所述轉(zhuǎn)動平臺的步進(jìn)馬達(dá)受到計算機(jī)的指令而轉(zhuǎn)動，驅(qū)動轉(zhuǎn)動平臺旋轉(zhuǎn)或上、下運(yùn)動。本中子相襯層析成像裝置兼?zhèn)淞讼嘁r和層析的各自優(yōu)點(diǎn)，能高分辨率地重構(gòu)待測樣品的三維空間位相分布。
文檔編號G01N23/20GK2599571SQ0322912
公開日2004年1月14日 申請日期2003年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月28日
發(fā)明者陳建文, 高鴻奕, 謝紅蘭, 李儒新, 徐至展, 熊詩圣 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所