CN112903731A - 中子强度关联成像的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种中子强度关联成像装置，包括：中子源，用于发射中子束；中子挡板，其上具有用于限制中子束的形状和尺寸的通孔；调制器，包括多个调制图案，用于调节中子束的模式，其中，从所述中子挡板输出的中子束仅覆盖所述多个调制图案的一个；样品架，用于放置待测物体；探测器，用于采集经过所述多个调制图案的每一个调制的中子束经过所述待测物体之后的相应的时间飞行谱；以及数据处理单元，基于所述时间飞行谱获得所述待测物体的图像。本发明的中子强度关联成像装置分辨率高、对探测器的要求低、成本低。

Description

中子强度关联成像的方法和装置
技术领域
本发明属于中子成像领域，尤其涉及中子强度关联成像(Neutron ghostimaging,NGI)的方法和装置。
背景技术
中子作为一种基本粒子，与电子、质子或x射线在与物质的相互作用方面有很大的不同:它们能深入地穿透大多数常见的金属材料，同时它们对轻元素(如氢、含氢物质或锂)具有很高的敏感性。这使得中子非常适合用于研究用于能量储存和转换的材料，如电池、氢储存、燃料电池等。此外，它们的波特性可以用来进行衍射、相位对比和暗场成像实验。它们的磁矩可以用来分辨大块样品的磁性能。依赖中子与样品的不同类型的相互作用提供了各种成像对比机制，可以得到物体的三维形态、结构、化学成分方面的信息和图像。新的对比机制结合先进的成像装置，使得中子成像在众多领域的应用获得了极大的发展，已成为许多研究领域通用的无损分析工具，这些技术中很多依赖于能量(波长)分辨测量的实现。目前常用的中子源主要有反应堆中子源、放射性核素中子源以及最近高速发展的散裂中子源。时间飞行(time-of-flight，ToF)成像模式可以充分利用散裂源的脉冲时间特征进行波长/能量分辨，从而带来全新的、前所未有的可能性，但同时还带来了关于可用探测器技术(需要空间、时间分辨率的组合)和有效的数据分析的极大挑战。因此，对于中子成像技术，如何在满足能量分辨的前提下尽可能地提高空间分辨率是一个非常重要的课题。
传统成像是光线通过目标物体透射或者反射然后被探测器感知成像。然而，引人注意的是，有一种非定域的强度关联成像颠覆了人们对于传统成像的认知：如果用一束空间上具有涨落的光照射在物体上并已知物体上的光场分布(参考光)，则可以利用没有空间分辨能力的桶探测器(单像素探测器)得到的信号(物光)通过强度关联还原出物体的像，因此，又被称为“鬼成像”。这一现象，是1995年利用纠缠光子对首次在实验上发现的。这一奇异的现象引起了人们强烈的兴趣，通过对该现象的深入研究，人们发现“鬼成像”这种奇特的成像方式并非只属于纠缠光的特性，只要是具备关联特性的其他源(包括日常的LED光、太阳光，甚至是各类粒子源，例如电子、原子等等)都能实现，打破了鬼成像中源的限制。此外，鬼成像最终是通过关联计算来得到物体的图像，其成像分辨率仅仅与光场的分布有关，可以突破源尺寸的限制；根据其成像过程，在信号光路中只需用极弱的光束照射物体就行，灵敏度高，抗噪性能好；而且，鬼成像技术所需的探测器对空间分辨能力没有要求，这极大的降低了成像成本。
如果把鬼成像的技术推广到中子，结合ToF成像模式，就能实现高空间分辨率的能量分辨成像技术，相比而言，传统的中子成像模式以及大型的、固定的成像装置，得到相同的效果需要数千万的成本。因此，中子鬼成像技术有着非常可观的应用前景。但是，由于中子具有很强的穿透能力，难以用光学元件对其进行分光、聚焦或其他光学变换，所以一直以来低成本、高空间分辨的中子鬼成像(中子强度关联成像)技术都难以实现。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种中子强度关联成像装置，包括：
中子源，用于发射中子束；
中子挡板，其上具有用于限制中子束的形状和尺寸的通孔；
调制器，包括多个调制图案，用于调节中子束的模式，其中，从所述中子挡板输出的中子束仅覆盖所述多个调制图案的一个；
样品架，用于放置待测物体；
探测器，用于采集经过所述多个调制图案的每一个调制的中子束经过所述待测物体之后的相应的时间飞行谱；以及
数据处理单元，基于所述时间飞行谱获得所述待测物体的图像。
根据本发明的中子强度关联成像装置，优选地，所述中子源为脉冲型散裂中子源。
根据本发明的中子强度关联成像装置，优选地，所述中子挡板为镉中子挡板或钆中子挡板。
根据本发明的中子强度关联成像装置，优选地，所述通孔为方孔。
根据本发明的中子强度关联成像装置，优选地，所述多个调制图案的每一个通过如下方法获得：生成了一个1024×1024的哈达玛矩阵，将所述哈达玛矩阵的每一行重塑成32×32的矩阵，作为一个调制图案。
根据本发明的中子强度关联成像装置，优选地，所述调制图案至少包括第一部分和第二部分，所述第一部分对中子的吸收强于所述第二部分对中子的吸收。
根据本发明的中子强度关联成像装置，优选地，所述数据处理单元执行如下步骤：
基于对应于所述多个调制图案的每一个的时间飞行谱获得相应的物光信号强度；
基于本底信号强度和所述物光信号强度进行归一化处理获得归一化信号强度；
将所述归一化信号强度进行关联运算。
本发明还提供了一种中子强度关联成像方法，包括如下步骤：
物光信号采集步骤：使中子束依次照射多个调制图案的每一个，然后通过待测物体，并采集相应的时间飞行谱，基于所述时间飞行谱获得相应的物光信号强度；
归一化处理步骤：从所述物光信号强度中扣除本底信号强度，得到归一化信号强度；以及
数据处理步骤：对所述归一化信号强度进行关联运算，得到待测物体的图像。
根据本发明的中子强度关联成像方法，优选地，所述本底信号强度通过如下方法获得：
使中子束依次照射调制器的多个调制图案的每一个，采集相应的时间飞行谱并获得相应的本底信号强度。
根据本发明的中子强度关联成像方法，优选地，所述关联运算利用如下公式：
Figure BDA0002298022580000031
Figure BDA0002298022580000041
其中，所述多个调制图案为N个调制图案，N为正整数，x，y表示平面坐标系的坐标,G(x,y)为待测物体的图像，Si(x,y)表示第i个调制图案，1≤i≤N，Ii表示针对第i个调制图案的归一化物光信号强度值，<S(x,y)I>表示N个调制图案与相应的归一化物光信号强度值乘积的均值,<S(x,y)>表示N个调制图案的平均值，<I>表示N个归一化物光信号强度值的均值。
与现有技术相比，本发明的优点在于：分辨率高、对探测器的要求低、成本低。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明实施例的中子强度关联成像的装置和光路图；
图2为根据本发明实施例的调制图案；
图3示出根据本发明实施例的飞行时间～波长/能量关系；
图4示出根据本发明实施例的待测物体上的初始图像；以及
图5示出针对不同的波段和平均计数采集的图像。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
第一实施例
本发明的第一实施例提供了一种中子强度关联成像装置和相应的方法，参见图1所示的该实施例的中子强度关联成像的光路图，中子强度关联成像装置包括：
脉冲型散裂中子源1，本实施例采用中国东莞散裂中子源(CSNS)第20号束线，源的出口孔径为2cm的圆孔，发散角为1～2°，热中子通量为106/cm2/s，中子脉冲频率为25Hz；
镉中子挡板2，厚度为4mm，形状为边长10cm的正方形，挡板2中心是边长为1.6mm的方孔，孔的形状与后面的调制图案的轮廓的形状相同。中子挡板用于控制脉冲型散裂中子源发射的中子束径的尺寸，考虑中子束发散角、传播距离等因素，使中子束通过挡板后的光斑大小能够正好照射后面提到的调制器上的一个调制图案，本领域技术人员能够理解，挡板出射的中子束光斑的形状和尺寸并非必须与调制图案的轮廓一致，只要能仅覆盖一个调制图案即可；
调制模块，包括电动平移台4和固定在电动平移台上的调制器3，所述调制器3上具有多个调制图案，用于调节中子束的模式。调制器3包括基板和设置在基板上的调制图案，基板可例如为矩形板，其采用对中子吸收很小的材料，可以为硅片、蓝宝石等，利用离子束刻蚀或者激光打孔等方式在基板上获得基本图案，然后用填充物填充基本图案，填充物可以包括金属颗粒、氧化钆粉末等对热中子具有较强的吸收(衰减1个量级以上)的材料，之后用微量的胶水或者薄石英玻璃(SiO2)进行封装，制作成多个调制图案S1，S2，…，SN。在该实施例中，选用具有正交归一性质的哈达玛(Hadamard)矩阵，发明人生成了一个1024×1024的Hadamard矩阵，将矩阵的每一行(即1×1024)重塑成32×32的矩阵，作为一个调制图案，从而得到1024个不同的调制图案，参见图2所示的根据本发明实施例的调制图案，图案中黑色部分刻蚀并填充对热中子具有较强的吸收的材料。考虑中子束发散角、传播距离等因素，使中子束通过挡板后的光斑大小能够正好照射调制器上的一个调制图案。当中子束照射到调制器上时，由于调制器上的不同部分对中子的吸收不同，可以得到一系列按照预设计的调制图案精确调制的中子束。调制器上的调制图案的个数决定了中子束的总模式数。优选地，将这1024个调制图案按照Haar小波变换系数绝对值从小到大排序，在这种最优排序下,采样率25％仍可重建图像，采样速度可提升4倍；
样品架(图中未示出)，用于放置待成像物体5；
桶探测器P，其具有时间分辨能力，用于采集经过成像物体之后的中子束的时间飞行谱，时间飞行谱表示对应每一个时刻t，探测器所探测到的中子的个数；
数据处理单元，其采用计算机6实现，在该实施例中应用matlab软件，基于桶探测器P得到的时间飞行谱进行后续的数据处理，最终得到待测物体的图像。
根据本发明的一个实施例，利用图1的成像装置进行中子关联成像的方法包括如下步骤：
步骤一：将待成像物体移出光路进行本底标定。
如图1的(b)所示，来自中子源的中子经过中子挡板之后照射在调制器的第一个调制图案S1的位置，利用桶探测器P采集该位置对应的时间飞行谱，数据处理单元通过对热中子能段的计数进行积分得到相应的强度值B1。桶探测器P例如采用3He管。
在该实施例中，中子脉冲产生处距离中子出射口为8.95m，出射孔到桶探测器(3He管)距离为75cm，3He管时间分辨率为10μs。飞行时间由3He管相对于散裂时间同步测量，散裂时间即为质子轰击钨靶使得钨靶散裂产生中子的时间。
中子脉冲产生处到探测器的距离L为：L＝8.95m+0.75m＝9.7m；
中子的质量m为：m＝1.67×10-27kg；
t时刻探测的中子对应的波长λ和能量E分别为：
Figure BDA0002298022580000061
其中，h为普朗克常量，v为中子的速度。
由此可以得到飞行时间与相应的波长/能量之间的关系图，如图3所示。在该实施例中，调制图案中包含的为氧化钆粉末，因为氧化钆粉末只对热中子能段及以下的中子具有较强的吸收(即中子调制器只能调制热中子能段及以下的中子)，因此在后续的数据处理过程中，仅选取波长范围在
Figure BDA0002298022580000062
内的中子进行成像。
基于图3所示的飞行时间～波长/能量关系，通过转化就可以得到时间～中子数关系，按照能量/波长选段积分，就可以得到强度值B1。
接下来，利用电子平移台依次调节调制器的位置，使得中子束依次照射调制图案S2，…，SN，采用与前述相同的方法，依次采集各个调制图案对应的时间飞行谱，并得到相应的强度值B2，…，BN，N个强度值B1，B2，…，BN即为本底信号。
在本发明中，桶探测器P测量中子的时间称为采集时间(曝光时间)，针对每个调制图案的采集时间称为单次曝光时间。上述本底信号的采集的单次曝光时间可以任意设定，只要采集到清晰的信号即可。曝光时间越长，还原出的像的对比度越高。在具体实施例中，对每一个调制图案的单次曝光时间是40s。曝光时间越长，图像的恢复效果会更好，因为采集的中子数增多，可以消除统计误差。但是曝光时间增长意味着成像时间成本的增加，因此，需要适当地调节曝光时间。
采用标定本底的方式，能够很大程度上消除加工工艺带来的误差，加强成像系统的实用性和稳定性。对于一个包括给定调制器的调制模块，只需要预先标定一次，之后对任意物体成像都不再需要再次采集本底信号。
步骤二：将待成像物体移入光路进行物光信号采集，参见图1的(a)。
方法与本底信号采集的方法类似。移动电动平移台，使得中子束照射调制图案S1的位置，并且调节待成像物体的前后位置以保证中子覆盖需要成像的整个区域，通过桶探测器P得到与调制图案S1对应的时间飞行谱，通过对热中子能段的计数进行积分，得出相应的物光强度值I′1。以类似的方式，通过控制电动平移台以改变中子照射在调制器上的位置，由此可依次采集与调制图案S1，S2，…，SN一一对应的N个物光强度值I′1，I′2，…，I′N作为一组物光信号。这里所说的物光强度值是指中子束透过之前预设计的每一个调制图案后再透过样品的总的热中子的强度值。
步骤三：归一化处理，即从步骤二得到的物光信号中扣除步骤一得到的本底信号。具体的公式为：
Figure BDA0002298022580000071
其中，Ii表示针对第i个调制图案的归一化的物光强度值，Ii′表示针对第i个调制图案的物光强度值，<I’>表示N个物光信号强度的均值，<B>为N个本底信号强度的均值。
步骤四：将N个调制图案S1，S2，…，SN与N个归一化的物光强度值I1，I2，…，IN进行关联运算，从而获得样品A的像G(x,y)，具体地利用公式：
Figure BDA0002298022580000081
其中x，y表示平面坐标系的坐标，Si(x,y)表示第i个调制图案，<S(x,y)I>表示N个调制图案与相应的归一化物光强度值乘积的均值,<S(x,y)>表示N个调制图案的平均值。
为了体现本发明的效果，发明人在实验中分别选取N＝256、512和1024，并得到相应的中子关联成像方法得到的像。待测物体上的初始图像为4mm厚的镉片上的镂空的“N”，如图4所示。
对应的采集图像如图5所示。
图5中，针对不同的N，分别针对不同的波段和平均计数进行成像。
举例来说，实验中得到的数据是中子波长在
Figure BDA0002298022580000082
范围内，每个波长有相应的中子计数，例如波长为
Figure BDA0002298022580000083
的中子计数为100个，波长为
Figure BDA0002298022580000084
的中子计数为150个，……，波长为
Figure BDA0002298022580000085
的中子计数为200个，发明人选择
Figure BDA0002298022580000086
波段就是将这些波段的中子计数相加。
平均数(即每个调制图案对应的平均中子计数)跟调制图案相关，在选定一个波段后，根据每个不同的调制图案Si我们会得到相应的Ii′，平均数为
Figure BDA0002298022580000087
在图5中，每张图像的像素大小为100μm，生成图像的像素大小取决于调制图案的像素大小，实验中选取的调制图案的像素大小是100μm，因此最终生成的图案大小也是100μm，成功实现中子高空间分辨率鬼成像。采用本发明的方法成功地实现了中子光谱鬼成像，但是光谱分析会带来计数的降低，因为全波段为
Figure BDA0002298022580000088
在本实施例中光谱分析选择了
Figure BDA0002298022580000089
和
Figure BDA00022980225800000810
的两个波段，它们的计数显然会低于全波段的中子计数，在一些程度上牺牲成像质量。计数越高，统计误差越低，成像质量越好，随着采样数的增加，成像效果越来越好。
图2的调制图案对应N＝1024，N＝256的调制图案就是前256张图，N＝512的调制图案就是前512张图。
第二实施例
在该实施例中，采用不具有时间分辨能力的桶探测器，得到的仅仅是中子计数(全能段中子的计数)，而不是时间t～中子数关系，这样就没有办法进行能谱分析，最终的成像结果就是所有能段的中子成像，这就是中子鬼成像。中子鬼成像对应于选取全部波段的中子光谱鬼成像，即图5中波段:
Figure BDA0002298022580000091
的结果。
根据本发明的其他实施例，可以选用同时具有空间分辨能力的和时间分辨能力的探测器，但这样会大大提高成本。
选择无空间分辨能力和时间分辨能力的探测器即可实现中子鬼成像，进一步的，当使用具有时间分辨能力的桶探测器时，即可实现中子光谱鬼成像。根据本发明的一个方面，实现了中子鬼成像，其优势在于能实现低成本、设备简单便携、高空间分辨率的中子成像；根据本发明的另一个方面，实现了中子光谱鬼成像，其除了具备中子鬼成像的优势以外，在能够同时实现能谱分析和高空间分辨率这一点上相较于其他中子成像方式有着非常重要的意义。
本领域技术人员公知的是，中子源分为连续型中子源(例如：放射性同位素中子源、核反应堆中子源)以及脉冲型中子源(散裂中子源)。根据本发明的其他实施例，采用连续型中子源时需要在中子源后增加一个斩波器方可实现中子光谱鬼成像，否则只能实现不具备能量分辨的中子鬼成像。
根据本发明的其他实施例，中子挡板为钆中子挡板，并且中子挡板上的通孔不限于方形，只要其形状与后面的调制图案的轮廓的形状相匹配即可。
根据本发明的其他实施例，中子调制器上的图案不一定是Hadamard矩阵，也可以是其它特殊矩阵，如Gold矩阵，可以是随机矩阵，甚至是随机散斑。此外，Hadamard矩阵也不限于实施例中所给出的方式，还可以例如选择4096X 4096的Hadamard矩阵，每一行重塑为64X 64的矩阵，然后总的调制图案个数为4096个。
本领域技术人员能够理解，为了使中子束照射不同的调制图案，还可通过调节中子束的位置来实现。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (10)

1.一种中子强度关联成像装置，包括：
中子源，用于发射中子束；
中子挡板，其上具有用于限制中子束的形状和尺寸的通孔；
调制器，包括多个调制图案，用于调节中子束的模式，其中，从所述中子挡板输出的中子束仅覆盖所述多个调制图案的一个；
样品架，用于放置待测物体；
探测器，用于采集经过所述多个调制图案的每一个调制的中子束经过所述待测物体之后的相应的时间飞行谱；以及
数据处理单元，基于所述时间飞行谱获得所述待测物体的图像。
2.根据权利要求1所述的中子强度关联成像装置，其中，所述中子源为脉冲型散裂中子源。
3.根据权利要求1所述的中子强度关联成像装置，其中，所述中子挡板为镉中子挡板或钆中子挡板。
4.根据权利要求3所述的中子强度关联成像装置，其中，所述通孔为方孔。
5.根据权利要求1所述的中子强度关联成像装置，其中，所述多个调制图案的每一个通过如下方法获得：生成了一个1024×1024的哈达玛矩阵，将所述哈达玛矩阵的每一行重塑成32×32的矩阵，作为一个调制图案。
6.根据权利要求1所述的中子强度关联成像装置，其中，所述调制图案至少包括第一部分和第二部分，所述第一部分对中子的吸收强于所述第二部分对中子的吸收。
7.根据权利要求1所述的中子强度关联成像装置，其中，所述数据处理单元执行如下步骤：
基于对应于所述多个调制图案的每一个的时间飞行谱获得相应的物光信号强度；
基于本底信号强度和所述物光信号强度进行归一化处理获得归一化信号强度；
将所述归一化信号强度进行关联运算。
8.一种中子强度关联成像方法，包括如下步骤：
物光信号采集步骤：使中子束依次照射多个调制图案的每一个，然后通过待测物体，并采集相应的时间飞行谱，基于所述时间飞行谱获得相应的物光信号强度；
归一化处理步骤：从所述物光信号强度中扣除本底信号强度，得到归一化信号强度；以及
数据处理步骤：对所述归一化信号强度进行关联运算，得到待测物体的图像。
9.根据权利要求7所述的中子强度关联成像方法，其中，所述本底信号强度通过如下方法获得：
使中子束依次照射调制器的多个调制图案的每一个，采集相应的时间飞行谱并获得相应的本底信号强度。
10.根据权利要求9所述的中子强度关联成像方法，其中，所述关联运算利用如下公式：
Figure FDA0002298022570000021
其中，所述多个调制图案为N个调制图案，N为正整数，x，y表示平面坐标系的坐标,G(x,y)为待测物体的图像，Si(x,y)表示第i个调制图案，1≤i≤N，Ii表示针对第i个调制图案的归一化物光信号强度值，<S(x,y)I>表示N个调制图案与相应的归一化物光信号强度值乘积的均值,<S(x,y)>表示N个调制图案的平均值，<I>表示N个归一化物光信号强度值的均值。
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