CN102109473B - 利用光中子透射对物体成像的方法及探测器阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用光中子透射对物体成像的方法，包括步骤：使用中子准直器准直穿过物体的光中子射线以根据该中子准直线的位置确定光中子射线的位置信息；使用探测器模块探测被准直的光中子射线束，其中，探测器模块包括中子慢化体和位于该中子慢化体内部的至少一个热中子探测器，中子慢化体将光中子转化为热中子，热中子探测器测量该热中子以获得光中子射线束穿过物体时的衰减信息；综合所述位置信息和衰减信息以形成所述物体相应部分的图像。该方法利用中子准直器的位置决定光中子射线的位置信息，克服了由于光中子的慢化致使位置信息丧失从而导致无法成像的问题。该方法还通过设置探测器模块阵列来对物体进行成像。

Description

利用光中子透射对物体成像的方法及探测器阵列
技术领域
本发明总的涉及利用加速器产生的光中子透射对物体成像的方法以及探测器阵列。
背景技术
在安全检测领域，X射线成像技术的应用非常广泛。通常，X射线都是利用电子加速器提供的电子束轰击电子靶产生。然而，产生的X射线只有少部分用于成像。因此，人们想到在用X射线成像的同时，还可以通过用X射线轰击光中子靶的方法来产生光中子，以利用光中子透射物体进行物体成像，由于光中子在物体中与X射线不同的行为特性，因此，利用两种不同的成像技术，可以提高对物质的识别能力。
然而，由于光中子的产生伴随有大量的X射线，使得光中子的测量会受到X射线的干扰，因此直接对光中子采用快中子探测的方法是行不通的，这就需要对光中子进行慢化，然后利用热中子探测器进行测量。在利用光中子透射进行成像时，需要获得光中子射线的位置信息。一般情况下，射线的位置信息是由探测器的尺寸和位置来决定的。但是，在对光中子进行慢化的过程中，中子的位置发生了弥散，在中子最后被测量到时，其位置信息已经丧失，因此失去了成像的可能性。本案针对这个问题提出了解决方法，以期能够利用光中子来实现对被检测物体的二维成像。
发明内容
本发明的目的之一是提供利用光中子透射对物体成像的方法。该方法通过利用中子准直器的位置确定穿过物体的光中子射线的位置以克服光中子在慢化过程中由于位置信息的丧失导致无法成像的问题。
本发明的目的之二是提供一种探测器阵列。该探测器阵列能够探测来自被检测物体的光中子射线束，以形成相应的图像。该探测器还能够通过增加列数提供物体的完整图像。
本发明的目的之一可以通过下列方案得以实现。一种利用光中子透射对物体成像的方法，其使用光中子射线透射所述物体，包括以下步骤：使用中子准直器准直穿过所述物体的光中子射线以根据该中子准直线的位置确定所述光中子射线的位置信息；使用探测器模块探测被准直的光中子射线束，其中，所述探测器模块包括中子慢化体和位于该中子慢化体内部的至少一个热中子探测器，所述中子慢化体将所述光中子转化为热中子，所述热中子探测器测量该热中子以获得光中子射线束穿过所述物体时的衰减信息；和综合所述位置信息和衰减信息以形成所述物体相应部分的图像。
作为上述方法的一个优选实施例，所述探测器模块和所述中子准直器组成探测器阵列，其中，每列所述探测器模块的数量与所述狭缝的数量相对应以测量通过每个狭缝的光中子射线束。所述探测器阵列包括多列，每列包括多个所述探测器模块，并且列与列之间位置相互错开以确保探测器模块能探测到所述物体每个部分的成像信息。这样通过增加探测器列数克服了单一探测器列由于体积大于单个像素的慢化体的影响而不能提供完整图像的问题，从而能提供物体的完整图像。
本发明的目的之二可以通过下列方案得以实现。一种探测器阵列，用于利用光中子透射对物体进行成像，所述探测器阵列包括探测器模块，所述探测器阵列还包括用于确定光中子位置信息的中子准直器，所述光中子经由所述中子准直器进入每个探测器模块，其中，所述探测器模块包括中子慢化体和位于该中子慢化体内部的至少一个热中子探测器，所述中子慢化体将所述光中子转化为热中子，所述热中子探测器测量该热中子以获得光中子射线穿过所述物体时的衰减信息。
为了获得物体的完整图像，可以增加探测器阵列的列数，同时使列与列之间形成错位以使每个探测器模块测量的光中子射线束相互之间不重叠。
通过阅读下列的详细描述及参考附图，本发明的其他目的和优点将变得很明显。
附图说明
图1为产生光中子的示意图；
图2为通过中子准直器实现中子位置分辨的示意图；
图3为对单个像素成像时慢化体导致的空间损失示意图；
图4显示单列探测器模块提供物体1/4面积的图像；
图5显示两列探测器模块提供物体1/2面积的图像；
图6显示用4列探测器模块扫描物体；
图7显示4列探测器模块提供了物体全部面积的图像。
具体实施方式
图1显示了光中子的产生方式。如图所示，由电子加速器提供的电子束轰击电子靶11产生X射线，X射线轰击光中子转换靶12以产生光中子。一般用到的光中子靶材都是具有低光中子阈值的核素，例如9Be和2H，因此，铍靶和重水靶通常作用中子转换体，其中，铍靶的反应类型可以用下式表示：γ+9Be →8Be+n，阈值：1.67MeV            (1)其中，γ代表光子，n代表中子，中子的能量由光子的能量与反应阈值的差值决定。重水靶的反应类型则可以用下式表示：γ+2H→1H+n，阈值：2.223MeV              (2)由上述反应式(1)和(2)可知，光中子是伴随X射线产生的，一般认为光中子的产生时刻与X射线的产生时刻是相同的。
由于这种光中子的能量在几百keV到几个MeV之间(具体由加速器的能量决定)，因此属于快中子。尽管光中子转换靶对X射线起到一定的屏蔽作用，但是仍有大量的X射线伴随光中子。如果用中子探测器直接探测这种光中子，大量的X射线也会进入中子探测器。由于光中子和X射线是同时产生的，而电子加速器又是在脉冲状态下工作，脉宽为μs的量级，又由于光中子和X射线会在很短的(通常小于1μs)时间内从光中子转换靶同时飞到中子探测器，因此中子探测器在测量中子的同时也会测量到X射线。由于进入中子探测器的X射线的数量非常多，一般会超出4个量级，因此无论中子探测器对X射线多么不灵敏，X射线仍会在中子探测器中形成巨大的信号，并且这种信号显著超过中子在中子探测器中形成的信号，从而对光中子的测量造成严重干扰，导致中子探测器无法获取关于光中子的信息。
已知X射线和光中子在物质中具有不同特性：●X射线经过数次碰撞之后，就会被物质吸收，其在物质中的存活时间仅在ns的量级解决了X射线对光中子测量的干扰；●光中子在物质中一般要经过大量的碰撞才会被物质吸收。根据物质材料的不同，光中子的碰撞次数可以从几十次到几千次不等，从时间上看可以从几个μs到几十ms不等。由这两种射线不同的行为特性可知：如果设置合适的中子慢化结构，让中子在该慢化体中进行减速。由于将光中子由快中子减速为热中子通常需要大于几个μs的时间，因此当光中子被慢化为热中子时，X射线脉冲已经不存在了，此时用热中子灵敏的探测器对慢化后的光中子进行测量，就可以得到关于光中子的信息，而不会受到X射线的干扰。
然而，由于光中子在慢化过程中会丧失位置信息，因此本发明利用光中子透射对物体成像的方法考虑利用中子准直器的位置来决定射线的位置信息。
图2显示了通过中子准直器来实现光中子位置分辨的示意图。如图所示，某一束光中子已经被事先经由准直器61(见图6)准直为一个扇面，可以用来进行透射成像。图中给出了4个中子探测器模块21，排成一列。当然这里的4个中子探测器模块只是用于举例说明，并无限制本发明的意图。实际的探测器模块数量根据实际需要确定，例如根据被检测物体的面积和期望的分辨率。每个探测器模块中有4个热中子探测器211。同样地，这里的4个热中子探测器也只是用于举例说明，并无限制本发明的意图。热中子探测器的数目根据灵敏度需要确定，热中子探测器的数目越多，灵敏度越高。因此，热中子探测器最少为1个，也可为6个、8个等。热中子探测器211处于中子慢化体212内部，并且被中子慢化体212完全包围。中子慢化体能够使快中子在其中减速、产生时间延迟，直至形成热中子而被热中子探测器所探测。由于在这个慢化的过程中，中子的位置信息会丧失，因此利用探测器的位置是无法确定位置信息，即无法成像的。为了实现成像，这里用到了准直光中子射线的中子屏蔽体22。图2显示有5个准直的中子屏蔽体22，这些中子屏蔽体与探测器模块一起形成单列的探测器阵列。需要说明的是，这里的数量5只是用于举例说明的目的，并无限制本发明的意图。根据扫描的需要，准直的中子屏蔽体22也可为大于2的其它任意数目。这5个准直的中子屏蔽体形成4个水平的狭缝31(请见图3)，这4个狭缝相互平行且相同。狭缝的宽度可以根据用户的需要来决定，例如期望的像素尺寸。作为本发明的方法的一个实施例，这里以5cm作为狭缝宽度的一个典型值来阐述。这4个狭缝与扇面光中子束25相交，得到4条光中子束线——每一条光中子束线都是从光中子转换靶发射出来，是一条直线，因此具有很好的方向性。这4条中子束线分别进入图2中的4个中子探测模块，进行慢化然后被其测量。在探测器模块21之间设置有热中子吸收体23，用于吸收要进入相邻探测器模块的热中子，目的是防止进入不同模块的中子在模块之间发生串扰，即一个探测器模块只能测量到射入它的那些中子。为了做到这一点，要求每个探测器的中子慢化体必须具有一定的尺寸，以便能够充分慢化中子，使得中子在试图进入邻近的探测器模块已经能量足够低从而可以充分被热中子吸收体23所屏蔽。这个尺寸一般需要在10cm之上，我们这里以20cm来进行讨论。经过这样设计的探测器模块，中子在入射之前就已经具有了位置信息，虽然在其射入探测器模块之后因为慢化而丧失了位置信息，但由于每个探测器模块21只能测量确定方向入射的中子，因此测量结果仍然能够反映射线的入射位置。
另外，中子慢化体212还对环境中存在的热中子起到屏蔽作用，以避免环境中的热中子对上述测量形成干扰。
图3进一步展示了通过中子准直器分辨光中子位置的示意图。如图3所示，“四”个光中子束分别透射4个小像素32，从小像素32中穿过的光中子束线分别经由狭缝31进入4个探测器模块21，并在探测器模块中被慢化和测量。这样，利用光中子的位置信息和衰减信息，由该4个探测器模块21组成的列就能对该四”个光中子束线成像。由于可以放置较多的探测器模块，因此本征探测效率可以得到保证。
不过如图3所示，为了防止不同入射方向的光中子之间的串扰，每个探测器模块的慢化体尺寸必须足够大，一般要求大于10cm，有效的尺寸在20cm(宽)×20cm(高)，长度则在20cm之上。如果我们以每个中子束线的截面为5cm×5cm计，则意味着每测量5cm×5cm的中子束线，就需要20cm×20cm的空间，这使得75％的中子束线是无法测量的。这样，即使我们实现了图2所示的目的，在对某个物体进行扫描之后，只能得到关于该物体的部分图像。如图4所示，如果每个像素是5cm×5cm，而中子慢化体的尺寸是20cm×20cm×20cm，则每次成像就只能对物体的1/4面积进行成像。
如果探测器阵列是具有多个列的阵列，且列与列之间的位置错开，则可以实现物体全部面积的成像。如图5所示，采用两列图3中所示的探测器列，这两列的探测器完全相同，都包括4个探测器模块21和5个准直的中子屏蔽体，但是这两个列的位置上下错位10cm，由此保证每个探测器模块测量的光中子射线束相互之间不重叠，也就是说，不会有两个或两个以上的探测器模块对来自物体同一部分的光中子束进行探测。这样，这两列探测器模块就分别扫描了物体的1/4面积，两列合在一起就扫描了物体面积的1/2。
依此类推，为了扫描物体的全部面积，可以再增加两列探测器。探测器阵列的实际列数根据被检测物体的面积和期望的像素确定。图6显示采用4列光中子探测器阵列来实现光中子透射成像的全部图像。在图6(俯视图)中，给出了四列光中子探测器阵列，分别在X射线束的两侧对称分布。其中，光中子探测器阵列1和2如图5中所示，光中子探测器阵列3和4与它们相同，只是在X射线主束的另一个对称侧，它们在上下方向(即图中的垂直纸面方向)的位置与光中子探测器阵列1和2具有5cm的位移。利用这四列探测器阵列，就可以实现对被检测物体的全部图像扫描，即对四列探测器阵列获得的图像进行拼接就能得到物体的完整图像，如图7所示。
需要说明的是，在图6中，4列探测器模块的放置位置是不同的，中子束线的方向也是不同的，这就导致中子在穿透被检测的物体时经过的路径也不同，从而导致4列探测器模块所获得的图像之间存在一定的不匹配。为了解决这个问题，需要使得这4列探测器之间的距离尽可能的小，按照本案给出的示意图，20cm是一个可行的方案，如果经过仔细设计，15cm也是可行的。尽管这样还是会有图像之间的不匹配，但是图像的匹配度已经处于可接受的范围内，因为在这里中子成像的分辨率在5cm左右。
虽然已经描述了本发明的典型实施例，应该明白本发明不限于这些实施例，对本专业的技术人员来说，本发明的各种变化和改进都能实现，但这些都在本发明权利要求的精神和范围之内。

Claims (27)

1.一种利用光中子透射对物体成像的方法，其使用光中子射线透射所述物体，其特征在于，包括以下步骤：
使用中子准直器准直穿过所述物体的光中子射线以根据该中子准直器的位置确定所述光中子射线的位置信息；
使用探测器模块探测被准直的光中子射线束，其中，所述探测器模块包括中子慢化体和位于该中子慢化体内部的至少一个热中子探测器，所述中子慢化体将所述光中子转化为热中子，所述热中子探测器测量该热中子以获得光中子射线束穿过所述物体时的衰减信息；和
综合所述位置信息和衰减信息以形成所述物体相应部分的图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述中子准直器由多个中子屏蔽体组成，该多个中子屏蔽体的相邻中子屏蔽体之间形成狭缝，所述光中子射线穿过该狭缝形成被准直的光中子射线束。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述狭缝的尺寸根据期望的像素确定。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述探测器模块和所述中子准直器组成探测器阵列，其中，每列所述探测器模块的数量与所述狭缝的数量相对应以测量通过每个狭缝的光中子射线束。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述探测器阵列包括多列，每列包括多个所述探测器模块，并且列与列之间的探测器模块位置相互错开以确保每个探测器模块探测的光中子射线束相互之间不重叠。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述探测器阵列的列与列之间的距离要小到列与列之间的图像匹配度在可接受的范围内。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：将每列探测器模块获得的图像进行拼接以提供所述物体的完整图像。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述探测器阵列的列数根据所述物体的面积和期望的像素确定。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述探测器阵列还包括位于相邻探测器模块之间的热中子吸收体以吸收要进入相邻探测器模块的热中子。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述中子慢化体的尺寸要大到足以充分慢化所述光中子以避免相邻探测器模块中的热中子的串扰。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述中子慢化体的尺寸大于10cm。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述中子慢化体能够屏蔽掉环境中存在的热中子以避免对所述测量造成干扰。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述热中子探测器越多，所述探测器模块的灵敏度就越高。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述光中子射线通过X射线轰击中子转换靶产生。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述光中子射线在进入所述物体之前也通过中子准直器被准直。
16.一种探测器阵列，用于利用光中子透射对物体进行成像，所述探测器阵列包括探测器模块，其特征在于：所述探测器阵列还包括用于确定光中子位置信息的中子准直器，所述光中子经由所述中子准直器进入每个探测器模块，其中，所述探测器模块包括中子慢化体和位于该中子慢化体内部的至少一个热中子探测器，所述中子慢化体将所述光中子转化为热中子，所述热中子探测器测量该热中子以获得光中子射线穿过所述物体时的衰减信息。
17.根据权利要求16所述的探测器阵列，其特征在于：所述中子准直器由多个中子屏蔽体组成，该多个中子屏蔽体的相邻中子屏蔽体之间形成狭缝，所述光中子射线穿过该狭缝形成被准直的光中子射线束。
18.根据权利要求17所述的探测器阵列，其特征在于：每列所述探测器模块的数量与所述狭缝的数量相对应以测量通过每个狭缝的光中子射线束。
19.根据权利要求16所述的探测器阵列，其特征在于：所述探测器阵列包括多列，所述列与列之间的探测器模块位置相互错开以使每个探测器模块测量的光中子射线束相互之间不重叠。
20.根据权利要求19所述的探测器阵列，其特征在于：所述探测器阵列的列与列之间的距离要小到列与列之间的图像匹配度在可接受的范围内。
21.根据权利要求16所述的探测器阵列，其特征在于：所述探测器阵列通过增加列数提供物体全部面积的图像。
22.根据权利要求16所述的探测器阵列，其特征在于：所述探测器阵列还包括位于相邻探测器模块之间的热中子吸收体以吸收要进入相邻探测器模块的热中子。
23.根据权利要求16所述的探测器阵列，其特征在于：所述中子慢化体的尺寸要大到足以充分慢化所述光中子以避免相邻探测器模块中的热中子的串扰。
24.根据权利要求23所述的探测器阵列，其特征在于：所述中子慢化体的尺寸大于10cm。
25.根据权利要求16所述的探测器阵列，其特征在于：所述中子慢化体能够屏蔽掉环境中存在的热中子以避免对所述测量造成干扰。
26.根据权利要求16所述的探测器阵列，其特征在于：所述探测器阵列的列数根据所述物体的面积和期望的像素确定。
27.根据权利要求16所述的探测器阵列，其特征在于：所述热中子探测器越多，所述探测器模块的灵敏度就越高。
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