CN109507719B

CN109507719B - 一种快速中子成像系统

Info

Publication number: CN109507719B
Application number: CN201910044797.8A
Authority: CN
Inventors: 吴宜灿; 李雅男; 张早娣; 章勇; 胡丽琴; 王芳
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2019-01-17
Filing date: 2019-01-17
Publication date: 2022-07-22
Anticipated expiration: 2039-01-17
Also published as: CN109507719A

Abstract

本发明提供了一种快速中子成像系统，包括中子转换屏、反光镜、像探测器、光学调整架、暗箱、屏蔽模块和计算机控制系统，其中，中子转换屏、反光镜、像探测器和光学调整架设于暗箱内，屏蔽模块设于正对中子束的暗箱一侧；中子转换屏包括中子‑质子转换层、质子能量选择层、电子倍增层和荧光层；像探测器采用硅光电倍增管阵列，或像增强CCD相机；光学调整架包括第一平移台和第二平移台；第一平移台的一端设有反光镜，另一端连接有第二平移台，第二平移台上设有与反光镜相对而设的像探测器；计算机控制系统远程控制第一平移台和第二平移台的移动。本发明结构简单、紧凑，且能满足不同视场范围和分辨率的成像要求。

Description

一种快速中子成像系统

技术领域

本发明涉及中子照相技术领域，尤其涉及一种快速中子成像系统。

背景技术

中子照相是一种利用不同材料的中子质量衰减系数不同而获取样品内部结构的射线无损检测方法。快中子的高能量使得它比热中子和冷中子具有更高穿透能力，这就为实现一些厚重物体的内部信息检测提供了条件。快中子照相技术在厚重样品或大件的现场检测等方面弥补了热中子照相技术及x射线照相技术的不足，是对热中子照相技术及x射线照相技术的重要补充。快中子照相具有广阔的应用空间与发展前景，特别是在航空航天、核材料、反恐、海关检验等领域具有优势。但一直以来快中子照相还有许多技术瓶颈没有突破，比如快中子探测效率低、散射影响大等问题，这些技术问题也是目前各个国家正在开展快中子成像的研究的重点和关键。

快中子照相装置通常由快中子源和成像系统组成。快中子成像一般采用快中子转换屏加胶片或CCD相机组成的像探测器。常用的快中子转换屏主要有两大类：一类是由含氢材料和ZnS(Ag)荧光粉混合制成，如常用的PP屏，另一类是塑料闪烁体，如BC系列产品。一般而言，提高快中子成像系统探测量子效率的最有效途径是增加转换屏的厚度。基于ZnS(Ag)的转换屏发光效率高，且对γ射线灵敏度低，但因ZnS(Ag)荧光粉不透明，转换屏的有效厚度收到限制，因此这种转换屏的快中子探测效率很低。基于塑料闪烁体的转换屏发光效率低，且对γ射线有很高灵敏度，不利于形成高质量图像。研制中子探测效率高且发光效率高的高效快中子转换屏，同时降低对γ射线的灵敏度，是提高快中子照相质量需要解决的关键技术问题。

近年来已发展了光纤闪烁体转换器加CCD(Charge-Coupled Device)相机探测器、GEM(Gas Electron Multiplier)探测器、Micomegas探测器、聚乙烯(Polyethylene,PE)转换器加半导体阵列探测器等多种形式的快中子像探测器。采用光纤闪烁体转换器和CCD相机的探测器空间分辨只达到1～2mm；GEM和Micomegas探测器对γ射线较敏感，且气体雪崩放电会导致位置分辨下降。章法强等在“物理学报”杂志2007年第56卷第1期上发表题为“高灵敏度的快中子照相系统”文章，采用由闪烁光纤阵列和科学级可见光CCD等元件组成的快中子照相系统，实验获得的14MeV快中子图像，经降噪处理后质量较好，但由于没有对CCD相机进行屏蔽，中子辐射本底对图像的影响严重。姚泽恩等在“核技术”杂志2015年第38卷第9期上发表题为“基于微通道板的快中子像探测器转换器的模拟研究”文章，提出了一种由聚乙烯转换器、微通道板电子增强器和CCD相机组成的快中子照相像探测器，模拟结果验证了聚乙烯和微通道板组成的转换器系统能够将入射的快中子转换成电子束斑点阵信息，电子束斑点阵像素可以达到MCP孔径量级。

现有中子照相装置多采用固定转换屏与CCD相机距离的结构，难以满足不同视场范围和分辨率要求。本发明之前，中国于2011年11月16日公开专利申请《高速中子摄像装置》，申请号为ZL201110179473.9，该申请设计了能够带动镜头和高速CMOS相机整体移动的平移台，该摄像装置可对不同视场范围和分辨率要求做出响应，但是该设计中将镜头和CMOS相机放在一个铅屏蔽盒内，同时铅屏蔽盒放在X平移台上，X平移台带动镜头和CMOS相机移动的同时，需带动铅屏蔽盒同步移动，平移台体积庞大且负荷较大。

据此，目前急需一种在满足不同视场范围和分辨率的成像要求的同时，还能兼具结构简单紧凑优点的快速中子成像系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种在满足不同视场范围和分辨率的成像要求的同时，还能兼具结构简单紧凑优点的快速中子成像系统。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种快速中子成像系统，包括中子转换屏、反光镜、像探测器、光学调整架、暗箱、屏蔽模块和计算机控制系统，其中，中子转换屏、反光镜、像探测器和光学调整架设置于暗箱内，屏蔽模块安装于正对中子束的暗箱一侧；

所述中子转换屏包括中子-质子转换层、质子能量选择层、电子倍增层和荧光层，其通过转盘设置不同的质子能量选择层进行质子能量调控；

所述像探测器采用硅光电倍增管阵列，或像增强CCD相机；

所述光学调整架包括第一平移台和第二平移台；所述第一平移台的一端设有反光镜，另一端连接有第二平移台，所述第二平移台上设有与反光镜相对而设的像探测器；

所述计算机控制系统远程控制第一平移台和第二平移台的移动。

作为本发明的优选方式之一，所述暗箱具体为一侧向外延伸出凸台的“L”型箱体，所述凸台的延伸方向正对中子束。

作为本发明的优选方式之一，所述屏蔽模块采用硼氢化锆、硼氢化镁、碳化硼或含硼聚乙烯。

作为本发明的优选方式之一，所述中子转换屏具体设置于正对中子束入射方向的暗箱内部，中子转换屏的另一侧设有与中子束入射方向成45度角的反光镜，反光镜对面设有像探测器。

作为本发明的优选方式之一，所述中子转换屏沿中子束入射方向依次包括中子-质子转换层、质子能量选择层、电子倍增层和荧光层，其中，中子-质子转换层采用富氢材料，质子能量选择层采用具有较高质子阻止本领的材料，电子倍增层采用微通道板，荧光层采用闪烁光纤阵列。

作为本发明的优选方式之一，所述中子转换屏为圆形，直径150mm，厚度25～32mm；其中，所述中子-质子转换层厚度为2mm，电子倍增层厚度为3～5mm，荧光层厚度为15～25mm；其通过一个圆形固定框将中子-质子转换层、质子能量选择层、电子倍增层和荧光层这四层结构压紧固定，使各层材料之间无缝贴合。

作为本发明的优选方式之一，所述富氢材料具体为聚乙烯材料；所述具有较高质子阻止本领的材料具体为SiO₂、Al₂O₃或HfO₂材料；所述闪烁光纤阵列具体由ZnS(Ag)荧光物质和光纤阵列组成，ZnS(Ag)荧光物质布满光纤阵列的间隙。

作为本发明的优选方式之一，所述微通道板的通道孔径为10～20μm，通道倾角8°，通道间距50μm；所述微通道板两端施加1～2kV电压。

作为本发明的优选方式之一，入射的快中子与富氢材料中的氢发生弹性碰撞产生反冲质子，通过质子能量选择层调控质子能量，质子入射到微通道板中产生二次电子并倍增，倍增后输出的电子轰击闪烁光纤阵列内的荧光物质并发光，光子经光纤阵列传播，再经反光镜改变光路后最终进入像探测器进行成像。

作为本发明的优选方式之一，所述硅光电倍增管阵列具体为一弱光光电探测器件，由大量工作在盖革模式的雪崩光电二极管(APD)组成，具有单光子计数探测灵敏度高、增益高、偏置电压低、对磁场不灵敏、结构紧凑等特点；样品透射中子与所述中子转换屏作用产生光子，硅光电倍增管阵列接收光子，经前置放大器收集电荷，并经滤波整形电路进一步放大成形，成形的脉冲信号输出到数据采集系统进行计数。

作为本发明的优选方式之一，所述光学调整架具体包括底座、第一平移台和第二平移台；所述第一平移台固定于底座之上，且具体呈“L”型，第一平移台的一侧端与反光镜固定相连，另一侧端通过二号连接轴与第二平移台相接，所述第一平移台上相对反光镜设置方向的背面还设有通过一号连接轴与第一平移台相连的第一步进电机；所述第二平移台滑动连接于底座之上，第二平移台上朝向第一平移台方向的一端连接有与第二步进电机相连的二号连接轴，第二平移台的另一端则与像探测器固定相连；

所述快速中子成像系统通过第一步进电机控制一号连接轴的运动并推动第一平移台上反光镜以及第二平移台上像探测器沿第一方向水平移动，以调节反光镜与中子转换屏之间的水平距离；通过第二步进电机控制二号连接轴的运动并推动第二平移台上像探测器沿第二方向水平移动，以调节像探测器与反光镜之间的水平距离；其中，所述第一方向具体为横向水平方向，第二方向为与第一方向相垂直的水平方向；

所述像探测器与中子转换屏、反光镜之间几何关系的智能化调节可满足不同视场范围和分辨率的成像要求。

作为本发明的优选方式之一，所述第一平移台调节反光镜与中子转换屏之间的水平距离，调节范围-5～5cm，调节精度为1mm；所述第二平移台调节像探测器与反光镜之间的水平距离，调节范围-5～5cm，调节精度为1mm。

作为本发明的优选方式之一，所述计算机控制系统，由LabVIEW软件程序控制所述第一步进电机和第二步进电机的运行。

本发明相比现有技术的优点在于：

(1)采用具有质子能量选择层和电子倍增层结构的中子转换屏，大大提高了中子探测效率和光收集效率；

(2)由计算机控制系统控制，通过第一步进电机控制一号连接轴的运动并推动第一平移台上反光镜以及第二平移台上像探测器沿横向同步水平移动，以调节反光镜与中子转换屏之间的水平距离；通过第二步进电机控制二号连接轴的运动并推动第二平移台上像探测器沿竖直方向水平移动，以调节像探测器与反光镜之间的水平距离；本发明采用智能化的光学调整架实现光路的自动调节，满足不同视场范围和分辨率的成像要求；

(3)屏蔽模块安置在暗箱一侧，一方面，保护了暗箱内部的CCD相机芯片免受中子辐照，另一方面，又使暗箱内的空间设置更为简洁、紧凑。

附图说明

图1是实施例1中快速中子成像系统的俯视结构示意图；

图2是图1中中子转换屏的截面结构示意图；

图3是图1中质子能量选择层的结构示意图；

图4是图1中光学调整架的结构示意图；

图5是图1中第一平移台的结构示意图。

图中：1为中子转换屏，11为中子-质子转换层，12为质子能量选择层，13为电子倍增层，14为荧光层，15为转盘，2为反光镜，3为像探测器，4为光学调整架，41为底座，42为第一平移台，43为第二平移台，44为第一步进电机，45为一号连接轴，46为第二步进电机，47为二号连接轴，5为暗箱，6为屏蔽模块，7为计算机控制系统。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1-5所示，本实施例的一种快速中子成像系统，包括中子转换屏1、反光镜2、像探测器3、光学调整架4、暗箱5、屏蔽模块6和计算机控制系统7。其中，暗箱5具体为一侧向外延伸出凸台的“L”型箱体，凸台的延伸方向正对中子束，凸台侧端的暗箱5侧壁上设有屏蔽模块6，暗箱5内容纳有中子转换屏1、反光镜2、像探测器3和光学调整架4。

中子转换屏1具体设置于正对中子束入射方向的暗箱5内部，中子转换屏1的另一侧设有与中子束入射方向成45度角的反光镜2，反光镜2对面设有像探测器3。中子转换屏1沿中子束入射方向依次包括中子-质子转换层11、质子能量选择层12、电子倍增层13和荧光层14四层结构，其通过转盘15设置不同的质子能量选择层12进行质子能量调控。

中子-质子转换层11采用富氢材料-聚乙烯。质子能量选择层12采用具有较高质子阻止本领的材料，如SiO₂、Al₂O₃或HfO₂材料；质子能量选择层12由若干层组成，质子能量选择层12的厚度随质子穿透深度增加而增加，因此低能中子可以被较薄的选择层探测到，而越深的层则可用于探测高能中子；根据质子能量选择层12厚度和电离粒子能量，只有那些高于阈值，且在一定角度范围内的粒子可以逃离选择层并进入到电子倍增层13。电子倍增层13采用微通道板。荧光层14采用闪烁光纤阵列，闪烁光纤阵列具体由ZnS(Ag)荧光物质和光纤阵列组成，ZnS(Ag)荧光物质布满光纤阵列的间隙。进一步地，中子转换屏1为圆形，直径150mm，厚度25mm；中子-质子转换层11厚度为2mm，电子倍增层13厚度为3mm，荧光层14厚度为20mm。其中，聚乙烯用于将中子信号转化为带电粒子信号，入射的快中子与聚乙烯中的氢发生弹性碰撞产生反冲质子，质子进入到质子能量选择层12后，由于质子在不同厚度介质中的穿透深度不同，通过调节质子能量选择层12厚度以获得不同能量质子。微通道板的通道孔径为10μm，通道倾角8°，通道间距50μm；微通道板两端施加1.5kV电压，在每个通道内形成轴向电场。由于普通ZnS(Ag)荧光屏中子探测效率低，塑料闪烁屏对γ射线较敏感，均不利于形成高质量图像；采用微通道板使入射质子经过通道时在电场作用下轰击通道壁二次电子发射系数高的材料，不断产生二次电子，通过这种形式使入射的带电粒子信号进一步放大，提高探测效率。对于普通荧光屏，理论上增加转换屏的厚度可提高中子成像系统的探测效率，但因ZnS(Ag)荧光粉不透明，荧光屏自身对光有吸收作用，转换屏的有效厚度收到限制。本实施例采用闪烁光纤阵列代替荧光屏，闪烁光纤阵列由ZnS(Ag)荧光物质和光纤阵列组成，ZnS(Ag)荧光物质布满光纤阵列的间隙，提高探测效率的同时，使光的传输效率提高。质子入射到微通道板中产生二次电子并倍增，倍增后输出的电子轰击闪烁光纤阵列内的荧光物质并发光，光子经光纤阵列传播，经反光镜2改变光路后最终进入像探测器3成像。此外，所述中子转换屏1通过一个圆形固定框将中子-质子转换层、质子能量选择层、电子倍增层和荧光层四层结构压紧固定，使各层材料之间无缝贴合。与普通的中子转换屏1如PP屏或塑料闪烁屏相比，这种多层结构的中子转换屏1同时使用了微通道板电子倍增器和闪烁光纤阵列，提高了中子探测效率和光传输效率，该中子转换屏1的发光强度可提高5-10倍。

像探测器3采用镜头和像增强CCD相机，镜头和CCD相机通过CF转接口固定连接。快中子照相实验中，中子辐射会在CCD半导体内产生缺陷，增加暗电流，并且会在像素间电荷转移时俘获信号电荷，使转移损失率增加，另外还会减少CCD的使用寿命。因此，在正对中子束的暗箱5一侧安装屏蔽模块6，屏蔽模块6采用硼氢化锆、硼氢化镁、碳化硼或含硼聚乙烯。减少CCD芯片中子辐照剂量，减少由辐射本底造成的图像噪声。同时，采用45°反光镜2改变光路方向，避免中子束直接辐照CCD。像探测器3采用制冷型像增强CCD相机，以减少温度引起的暗电流，短焦大通光口径的镜头提高光传输效率。携带样品信息的中子束入射到中子转换屏1，中子信号转化为光信号，中子转换屏1的出射光子经反光镜2改变光路后入射到短焦大通光口径的镜头，镜头与致冷型CCD相机实现光耦合，致冷型CCD相机将光信号转化为样品的像。

光学调整架4具体包括底座41、第一平移台42和第二平移台43。第一平移台42固定连接于底座41之上，且具体呈“L”型，第一平移台42的横向侧端与反光镜2固定相连，另一侧端通过二号连接轴47与第二平移台43相接，第一平移台42上相对反光镜2设置方向的背面还设有通过一号连接轴45与第一平移台42相连的第一步进电机44。第二平移台43滑动连接于底座41之上，第二平移台43上朝向第一平移台42方向的一端连接有与第二步进电机46相连的二号连接轴47，第二平移台43的另一端则与像探测器3固定相连。本实施例的快速中子成像系统通过第一步进电机44控制一号连接轴45的运动并推动第一平移台42上反光镜2以及第二平移台43上像探测器3沿第一方向(即，横向水平方向)同步水平移动，以调节反光镜2与中子转换屏1之间的水平距离，调节范围-5～5cm，调节精度为1mm；通过第二步进电机46控制二号连接轴47的运动并推动第二平移台43上像探测器3沿第二方向(即，与第一方向相垂直的水平方向)水平移动，以调节像探测器3与反光镜2之间的水平距离，调节范围-5～5cm，调节精度为1mm。像探测器3与中子转换屏1、反光镜2之间几何关系的智能化调节可满足不同视场范围和分辨率的成像要求。

计算机控制系统7，由LabVIEW软件程序控制上述第一步进电机44、第二步进电机46的运行，进一步地实现控制第一平移台42和第二平移台43的移动；同时，计算机控制系统7通过像探测器3配套软件与像探测器3之间进行数据传输，实现成像参数设定和图像采集。

本实施例的优点为：

(1)采用具有质子能量选择层12和电子倍增层13结构的中子转换屏1，大大提高了中子探测效率和光收集效率；

(2)由计算机控制系统7控制，通过第一步进电机44控制一号连接轴45的运动并推动第一平移台42上反光镜2以及第二平移台43上像探测器3沿横向同步水平移动，以调节反光镜2与中子转换屏1之间的水平距离；通过第二步进电机46控制二号连接轴47的运动并推动第二平移台43上像探测器3沿竖直方向水平移动，以调节像探测器3与反光镜2之间的水平距离；本实施例采用智能化的光学调整架4实现光路的自动调节，满足不同视场范围和分辨率的成像要求；

(3)屏蔽模块6安置在暗箱5一侧，一方面，保护了暗箱5内部的CCD相机芯片免受中子辐照，另一方面，又使暗箱5内的空间设置更为简洁、紧凑。

实施例2

本实施例的一种快速中子成像系统，结构与实施例1基本相同，主要不同之处在于：(1)中子转换屏1为圆形，直径150mm，厚度32mm；中子-质子转换层11厚度为2mm，电子倍增层13厚度为5mm，荧光层14厚度为25mm；(2)微通道板的通道孔径为20μm，通道倾角8o，通道间距50μm，微通道板两端施加2kV电压。

实施例3

本实施例的一种快速中子成像系统，结构与实施例1基本相同，主要不同之处在于：(1)中子转换屏1为圆形，直径150mm，厚度30mm；中子-质子转换层11厚度为2mm，电子倍增层13厚度为4mm，荧光层14厚度为15mm；(2)微通道板的通道孔径为15μm，通道倾角8^o，通道间距50μm，微通道板两端施加1kV电压；(3)像探测器3采用硅光电倍增管阵列；硅光电倍增管阵列是一种弱光光电探测器件，由大量工作在盖革模式的雪崩光电二极管(APD)组成，具有单光子计数探测灵敏度高、增益高、偏置电压低、对磁场不灵敏、结构紧凑等特点。样品透射中子与所述中子转换屏1作用产生光子，硅光电倍增管阵列接收光子，经前置放大器收集电荷，并经滤波整形电路进一步放大成形，成形的脉冲信号输出到数据采集系统进行计数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种快速中子成像系统，其特征在于，包括中子转换屏、反光镜、像探测器、光学调整架、暗箱、屏蔽模块和计算机控制系统，其中，中子转换屏、反光镜、像探测器和光学调整架设置于暗箱内，屏蔽模块安装于正对中子束的暗箱一侧；

所述像探测器采用硅光电倍增管阵列，或像增强CCD相机；

2.根据权利要求1所述的快速中子成像系统，其特征在于，所述暗箱具体为一侧向外延伸出凸台的“L”型箱体，所述凸台的延伸方向正对中子束。

3.根据权利要求1所述的快速中子成像系统，其特征在于，所述屏蔽模块采用硼氢化锆、硼氢化镁、碳化硼或含硼聚乙烯。

4.根据权利要求1所述的快速中子成像系统，其特征在于，所述中子转换屏具体设置于正对中子束入射方向的暗箱内部，中子转换屏的另一侧设有与中子束入射方向成45度角的反光镜，反光镜对面设有像探测器。

5.根据权利要求1所述的快速中子成像系统，其特征在于，所述中子转换屏沿中子束入射方向依次包括中子-质子转换层、质子能量选择层、电子倍增层和荧光层，其中，中子-质子转换层采用富氢材料，质子能量选择层采用具有较高质子阻止本领的材料，电子倍增层采用微通道板，荧光层采用闪烁光纤阵列。

6.根据权利要求5所述的快速中子成像系统，其特征在于，所述富氢材料具体为聚乙烯材料；所述具有较高质子阻止本领的材料具体为SiO₂、Al₂O₃或HfO₂材料；所述闪烁光纤阵列具体由掺银硫化锌荧光物质和光纤阵列组成，掺银硫化锌荧光物质布满光纤阵列的间隙。

7.根据权利要求5所述的快速中子成像系统，其特征在于，入射的快中子与富氢材料中的氢发生弹性碰撞产生反冲质子，通过质子能量选择层调控质子能量，质子入射到微通道板中产生二次电子并倍增，倍增后输出的电子轰击闪烁光纤阵列内的荧光物质并发光，光子经光纤阵列传播，再经反光镜改变光路后最终进入像探测器进行成像。

8.根据权利要求1所述的快速中子成像系统，其特征在于，所述硅光电倍增管阵列具体为一弱光光电探测器件，由大量工作在盖革模式的雪崩光电二极管组成；样品透射中子与所述中子转换屏作用产生光子，硅光电倍增管阵列接收光子，经前置放大器收集电荷，并经滤波整形电路进一步放大成形，成形的脉冲信号输出到数据采集系统进行计数。

9.根据权利要求1所述的快速中子成像系统，其特征在于，所述光学调整架具体包括底座、第一平移台和第二平移台；所述第一平移台固定于底座之上，且具体呈“L”型，第一平移台的一侧端与反光镜固定相连，另一侧端通过二号连接轴与第二平移台相接，所述第一平移台上相对反光镜设置方向的背面还设有通过一号连接轴与第一平移台相连的第一步进电机；所述第二平移台滑动连接于底座之上，第二平移台上朝向第一平移台方向的一端连接有与第二步进电机相连的二号连接轴，第二平移台的另一端则与像探测器固定相连；

所述快速中子成像系统通过第一步进电机控制一号连接轴的运动并推动第一平移台上反光镜以及第二平移台上像探测器沿第一方向水平移动，以调节反光镜与中子转换屏之间的水平距离；通过第二步进电机控制二号连接轴的运动并推动第二平移台上像探测器沿第二方向水平移动，以调节像探测器与反光镜之间的水平距离；其中，所述第一方向具体为横向水平方向，第二方向为与第一方向相垂直的水平方向。

10.根据权利要求9所述的快速中子成像系统，其特征在于，所述计算机控制系统，由LabVIEW软件程序控制所述第一步进电机和第二步进电机的运行。