CN102243433A - 高速中子摄像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及中子成像技术，具体涉及一种高速中子摄像装置。其结构包括中子转换腔和探测腔，中子转换腔设有用于将中子影像转化成可见光影像的闪烁屏，闪烁屏后侧设有用于将可见光折射到探测腔的平面镜；探测腔内设有镜头和高速CMOS相机，其中，所述的镜头和高速CMOS相机整体置于屏蔽铅盒内，镜头朝向可见光入射方向，在探测腔内设有能够带动镜头和高速CMOS相机整体移动的平移台。本发明可对不同视场范围和分辨要求做出响应，且能够在不同物距上进行自动对焦，保证在线带束自动调节测量。
Description
技术领域
本发明涉及中子成像技术，具体涉及一种高速中子摄像装置。
背景技术
中子成像技术原理与X射线透视一样，只不过使用的是中子来穿透物体。中子成像与X射线成像相比，穿透力更强，且能看到较轻的元素，例如C，H，O，N等。缺点是中子成像强度较弱，因此分辨、噪音等要差于X射线。
目前，中子成像使用的中子源主要有三种，分别是同位素中子源(被测物处中子通量～103n/cm2/s)，加速器中子源(被测物处中子通量～103n/cm2/s至106n/cm2/s)，及反应堆中子源(被测物处中子通量～105n/cm2/s至109n/cm2/s)。最强中子源为反应堆，因此只有使用反应堆孔道出来的中子能进行动态的摄像。目前世界上只有两个反应堆FRM2，JRR3具有可达1000帧/秒的中子高速摄像装置，而国内只有绵阳九院的反应堆开展过低速中子动态摄像工作(30帧/秒)。
世界上现有的两台中子高速摄像装置都采用固定CMOS相机与闪烁屏距离的结构，其优点是结构简单，易于屏蔽，方便操作，缺点是难以满足不同的视场范围和分辨要求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种可对不同视场范围和分辨要求做出响应的高速中子摄像装置。
本发明的技术方案如下：一种高速中子摄像装置，包括中子转换腔和探测腔，中子转换腔设有用于将中子影像转化成可见光影像的闪烁屏，闪烁屏后侧设有用于将可见光折射到探测腔的平面镜；探测腔内设有镜头和高速CMOS相机，其中，所述的镜头和高速CMOS相机整体置于屏蔽铅盒内，镜头朝向可见光入射方向，在探测腔内设有能够带动镜头和高速CMOS相机整体移动的平移台。
进一步，如上所述的高速中子摄像装置，其中，在所述的平面镜的下方设有用于定焦的激光装置，激光装置所发出的激光投影位于闪烁屏的中央；所述的激光装置为十字型激光装置，闪烁屏上的激光投影为十字投影。
进一步，如上所述的高速中子摄像装置，其中，所述的镜头通过皮带与镜头驱动马达连接。
进一步，如上所述的高速中子摄像装置，其中，所述的平移台包括X轴平移台和Y轴平移台，屏蔽铅盒设在X轴平移台上，X轴平移台设在Y轴平移台上，Y轴平移台固定在探测腔底部。
更进一步，如上所述的高速中子摄像装置，其中，所述的X轴平移台和Y轴平移台均采用电机带动丝杠的形式进行传动。
进一步，如上所述的高速中子摄像装置，其中，所述的闪烁屏为Li6F或ZnS材料。
本发明的有益效果如下：本发明所提供的高速中子摄像装置，将透镜和相机安装在可移动的平移台上，通过调节物距，可对不同视场范围和分辨要求做出响应。对于屏蔽的设计，本发明将透镜和相机整体放入铅盒随平移台移动，简化了屏蔽结构，使屏蔽效果更理想。对实际操作过程中难以实现自动对焦的问题，本发明采用在闪烁屏上投影激光十字叉，来在不同物距上进行自动对焦，这样能保证在线带束自动调节测量。
附图说明
图1为高速中子摄像装置的结构示意图；
图2为探测范围直径为10cm的探测光路原理图；
图3为探测范围直径为35cm的探测光路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，高速中子摄像装置包括中子转换腔1和探测腔2两部分。中子转换腔1使中子影像转换为可见光影像，探测腔2用于收集光信号。两个腔体框架材料采用2cm*2cm截面的铝合金型材，外表皮包层是2mm厚铝箔。腔体间依靠4个螺丝固定连接。本实施例中，中子转换腔框架体积为40cm*40cm*40cm，探测腔框架体积为60cm*80cm*120cm。
中子转换腔1设有用于将中子影像转化成可见光影像的闪烁屏3，闪烁屏3后侧设有用于将可见光折射到探测腔2的平面镜4。
闪烁屏可以为Li6F或ZnS材料，面积尺寸为35cm*35cm，厚度约0.4mm，使中子影像转化为可见光影像，效率为20％以上，其衬底为2mm厚度的铝板，闪烁屏依靠4个角上的螺母固定在转换腔端部框架上。
反射镜使可见光90度折射到探测腔中，这样能避免直射束照射。反射镜面积约35cm*50cm，厚度约0.3μm铝膜镀在3mm厚的单晶硅片上，表面再镀上10nm厚SiO2保护层，平面镜需达到90％以上的反射率。反射镜固定在与闪烁屏成45°角的平面上。反射镜底部装有可发光的十字型激光装置，可在闪烁屏中央投影十字光斑。
探测腔2内设有镜头5和高速CMOS相机6，所述的镜头5和高速CMOS相机6整体置于屏蔽铅盒7内，镜头5朝向可见光入射方向，在探测腔2内设有能够带动镜头5和高速CMOS相机6整体移动的平移台。
镜头5在不同分辨、视场要求下可使用选择三款镜头：焦距85mm、最小焦径比为1.4的镜头；焦距135mm、最小焦径比为2.0的镜头；焦距200mm、最小焦径比为2.0的镜头。镜头5依靠驱动马达8自动调焦，镜头5与马达8依靠皮带传动。
高速CMOS相机6为耦合了第三代图像增强器的科学级高速CMOS相机，能进行1000帧/秒的高速拍摄。分辨为1024*1024，相机安放在厚约2cm的铅盒7内，可降低γ辐射对相机的影响。相机底座与镜头驱动马达8都和铅盒7使用螺丝固定。
平移台包括X轴平移台9和Y轴平移台10，相机铅盒7依靠固定螺丝固定在X轴平移台9上，而X轴平移台9依靠固定螺丝固定在Y轴平移台10上，Y轴平移台10依靠固定螺丝固定在探测腔底梁铝合金型材上。X轴平移台9和Y轴平移台10均采用电机带动丝杠的形式进行传动(当然也不限于这种传动形式)，X轴平移台9可自动平移距离为5cm，Y轴平移台10可自动平移距离为100cm。
探测光路的调节原理如图2、图3所示。在图2、图3中，最左面为相机，中间为镜头，最右面为闪烁屏，由图中可以看出，调节闪烁屏与镜头的距离可改变探测的范围。
理论上，假设闪烁屏均匀发光，略去各部件造成的光子损失(因为各部件的损失因子为常数)。相机中每个像素点收集的光子为：
n＝N/[4F/(m+1)]*D2
这里N为单位面积闪烁屏发出的光子数，F为焦距/镜头直径，m为测量视场直径/感光芯片尺寸，D为芯片单位像素探测的闪烁屏尺寸。
由于m＞＞1，因此m+1≈m；所以n＝N/[4F/(m+1)]*D2＝N/16F2*(D/m)2＝N/16F2*d2。
这里d为芯片像素本身的尺寸，N、F、d与视场大小无关。
这意味着，无论看到的视场范围如何变化，芯片的感光量是保持不变的。所以，可以随意的调节所观察的范围，而无需担心曝光不足。
现有技术对屏蔽的设计是将探测腔整体进行屏蔽，而本发明加装移动平台后，探测腔部分结构复杂，不易屏蔽。由于只有相机的芯片需要屏蔽保护，因此本发明将屏蔽用的铅盒直接加装到相机上。这样简化了屏蔽设计，节约了空间和重量。
现有技术的中子高速摄像装置由于无需改变视场，因此只需一次定焦修正，之后每次测量都固定不变即可。而本发明在设计中由于需要改变视场，因此每次需要重新定焦，这样按照传统测量方法需要取下闪烁屏，在闪烁屏位置放上标样进行定焦测量，然后再安装上闪烁屏，这样会大大降低了探测效率。为了实现在线的带束测量，本发明在平面镜下方设计安装一个十字型激光装置，定焦时只需将十字激光投影到闪烁屏中央即可作为标样进行测量。这样无需到现场摘除闪烁屏，极大地提高了效率和减少了工作人员的辐射剂量，保证了安全。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种高速中子摄像装置，包括中子转换腔(1)和探测腔(2)，中子转换腔(1)设有用于将中子影像转化成可见光影像的闪烁屏(3)，闪烁屏(3)后侧设有用于将可见光折射到探测腔的平面镜(4)；探测腔(2)内设有镜头(5)和高速CMOS相机(6)，其特征在于：所述的镜头(5)和高速CMOS相机(6)整体置于屏蔽铅盒(7)内，镜头(5)朝向可见光入射方向，在探测腔(2)内设有能够带动镜头(5)和高速CMOS相机(6)整体移动的平移台。
2.如权利要求1所述的高速中子摄像装置，其特征在于：在所述的平面镜(4)的下方设有用于定焦的激光装置(11)，激光装置(11)所发出的激光投影位于闪烁屏的中央。
3.如权利要求2所述的高速中子摄像装置，其特征在于：所述的激光装置(11)为十字型激光装置，闪烁屏上的激光投影为十字投影。
4.如权利要求1所述的高速中子摄像装置，其特征在于：所述的镜头(5)通过皮带与镜头驱动马达(8)连接。
5.如权利要求1-4中任一项所述的高速中子摄像装置，其特征在于：所述的平移台包括X轴平移台(9)和Y轴平移台(10)，屏蔽铅盒(7)设在X轴平移台(9)上，X轴平移台(9)设在Y轴平移台(10)上，Y轴平移台(10)固定在探测腔(2)底部。
6.如权利要求5所述的高速中子摄像装置，其特征在于：所述的X轴平移台(9)和Y轴平移台(10)均采用电机带动丝杠的形式进行传动。
7.如权利要求1所述的高速中子摄像装置，其特征在于：所述的闪烁屏(3)为Li6F或ZnS材料。
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