CN113341453A - 用于核素识别的白光中子成像方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种用于核素识别的白光中子成像系统及方法，包括能够发射出白光中子束的白光中子源、转换屏和伽玛射线探测器，使用纯B‑10作为转换屏，B‑10具有很大的中子吸收截面，且没有共振峰结构，对全共振能区中子都具有较高的探测效率，吸收一个中子后会放出一个约480keV伽玛射线，也就是说，以伽玛射线为中子被捕获的信号，再利用对伽玛射线敏感的伽玛射线探测器探测该能量的射线，因此可以实现全能区的中子成像功能。从而，将待测样品放置在白光中子源和转换屏之间，可以探测到透过样品之后的白光中子的位置信息和能量信息，由此，利用白光中子束的宽谱特点，结合B‑10转换屏和伽玛射线探测器，能够高效、低成本的实现核素识别以及宽谱中子成像。

Description

用于核素识别的白光中子成像方法及系统

技术领域

本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种用于核素识别的白光中子成像方法及系统。

背景技术

中子具有深穿透的特点，特别适合大构件的样品内部成像检测。白光中子束是指能谱非常宽的中子束流，通常束流里面的中子能量范围从0.025eV(热中子能区)到几十兆电子伏(快中子)。白光中子束与物质相互作用时，不同的核素与一定能量的中子产生共振吸收反应，在白光中子能谱上形成特征共振峰结构，从而也可以实现核素(包含同位素)识别。

目前，国内外中子成像技术里仅对热中子成像技术相对成熟些，热中子成像主要采用基于He-3的气体探测器阵列为主，由于He-3元素与热中子的相互作用截面非常大，利用这个特点，He-3中子探测器的探测效率对热中子具有很高探测效率。使用He-3探测器组成探测阵列就可以实现位置分辨热中子成像技术。但是He-3由于稀少，具有价格贵，封装后体积大的缺点，实现高位置分辨需要较大的布局空间。

对于超热中子成像，目前有基于掺硼元素的微通道板版探测器，此种探测器特点是利用B-10对中子的髙俘获吸收截面，间接激发带电粒子，然后通过带电粒子测量确定中子。由于微通道板本身具有很好的位置分辨。但是目前此种探测器的微通道上涂硼具有很高技术难度，同时由于涂硼的量占比也较低，中子探测效率增益有限。另外，制造价格非常昂贵。

目前，还有一种方法是基于转换屏的CCD或者CMOS高速相机方法。由于当前高速相机技术比较成熟，该方法使用较广。该方法中的转换屏通常采用含锂、钆等对中子敏感的材料。然后通过照相机捕获转换屏上发出的荧光进行成像。但是，该方法受相机自身缺陷限制，不能实现连续的宽谱中子测量，每次只能选择很窄一个能量范围，并不能实现对全共振能区的白光中子成像。

实现热中子能区到几十兆白光中子探测及成像，不仅可以实现关键部件内部成像，而且可以实现内部核素分布分析。全共振能区的白光中子成像是实现核素识别的重要手段，特别是对于金属部件检测的可行手段。

因此，需要提供一种能够用于核素识别的白光中子成像方法，使得能够高效率、低成本的实现全共振区能量范围的核素识别的宽谱中子成像。

发明内容

本发明提供一种用于核素识别的白光中子成像系统及方法，使得能够高效率、低成本的实现全共振区能量范围的核素识别的宽谱中子成像。

根据第一方面，一种实施例中提供一种用于核素识别的白光中子成像系统，包括：

白光中子源，用于出射第一白光中子；

转换屏，所述转换屏具有预设厚度，且材料为B-10，所述转换屏用于俘获出射至所述转换屏表面上的第二白光中子，并将俘获的所述第二白光中子转换成转换射线，所述转换射线中包括伽玛射线；

伽玛射线探测器，能够探测经过所述转换屏转换后所发出的伽玛射线的位置信息或能量信息；

成像单元，用于根据所接收的伽玛射线的位置信息或能量信息得到入射在所述转换表面屏上的第二白光中子的位置信息或能量信息。

可选的，所述伽玛射线探测器为碲锌镉半导体探测器。

可选的，所述转换屏的厚度为0.08mm-10mm。

可选的，所述白光中子源出射的白光中子束能量包括热中子能区到快中子能区。

可选的，所述转换屏的表面与所述白光中子的入射束流成45°；所述伽玛射线探测器与所述白光中子的入射束流成90°。

可选的，还包括中子飞行时间计时器，用于记录白光中子源发射的第一白光中子从发射到被伽玛射线探测器接收的飞行时间。

根据第二方面，一种实施例中提供一种用于核素识别的白光中子成像方法，包括：

将待测样品放置在上述中任一所述的白光中子成像系统中的白光中子源和转换屏之间；

由所述白光中子源在预定时刻发射第一白光中子，所述第一白光中子透过所述待测样品后的第二白光中子打在所述转换屏上；

由伽玛射线探测器检测得到的伽玛射线的位置信息或能量信息，以得到入射在所述转换屏表面上的第二白光中子的位置信息或能量信息；

根据所述第二白光中子的位置信息或能量信息确定所述第二白光中子的扫描数据，所述扫描数据包括所述第二白光中子的束斑分布情况以及待测样品中所含的核素信息。

可选的，根据所述第二白光中子的位置信息或能量信息确定所述第二白光中子的扫描数据，包括：基于核素特征共振峰结构，判定待测样品中所含的核素信息。

可选的，还包括：在不放置待测样品的情况下，所述第一白光中子打在所述转换屏上，得到第一白光中子的束斑分布情况。

可选的，还包括：多次将待测样品进行预设角度旋转，分别获取待测样品每个方向上的扫描数据，以得到待测样品360°的扫描数据；

根据所述全面扫描数据，进行图像重建得到待测样品内目标核素的三维空间分布情况。

依据上述实施例的用于核素识别的白光中子成像系统及方法，包括能够发射出白光中子束的白光中子源、转换屏和伽玛射线探测器，使用纯B-10作为转换屏，B-10具有很大的中子吸收截面，且没有共振峰结构，对全共振能区中子都具有较高的探测效率，吸收一个中子后会放出一个约480keV伽玛射线，也就是说，以伽玛射线为中子被捕获的信号，再利用对伽玛射线敏感的伽玛射线探测器探测该能量的射线，因此可以实现全能区的中子成像功能。从而，将待测样品放置在白光中子源和转换屏之间，可以探测到透过样品之后的白光中子的位置信息和能量信息，由此，利用白光中子束的宽谱特点，结合B-10转换屏和伽玛射线探测器，能够高效、低成本的实现核素识别以及宽谱中子成像。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的用于核素识别的白光中子成像系统示意图；

图2为本发明一实施例提供的转换屏厚度与中子能量关系示意图；

图3为本发明一实施例提供的核素Ti-47的共振峰结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的核素Ag-109的共振峰结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

由背景技术可知，目前的中子成像中，仅具有能够实现热中子成像、超热中子成像或者仅能够实现很窄能量范围的成像，不能实现全共振能区的白光中子成像，且各种成像系统存在体积大、成本高、价格昂贵以及成像质量和效率低下等问题。

经分析可知，白光中子束与物质相互作用时，不同的核素与一定能量的中子产生共振吸收反应，在白光中子能谱上形成特征共振峰结构，从而可以实现核素(包含同位素)识别。因此，提供一种能够用于核素识别的白光中子成像方法或系统，不仅可以实现关键部件内部成像，而且可以实现内部核素分布分析。

在本实施例中，提供一种能够用于核素识别的白光中子成像方法或系统，由于所使用B-10转换屏具有很大的中子吸收截面，且没有共振峰结构，对全共振能区中子都具有较高的探测效率，吸收一个中子后会放出一个约480keV伽玛射线，也就是说，可以480keV的伽玛射线为中子被捕获的信号，再利用对480keV伽玛射线敏感的伽玛射线探测器探测该能量的射线，因此可以实现中子成像功能。从而，将待测样品放置在白光中子源和转换屏之间，可以探测到透过样品之后的白光中子束的位置信息和能量信息，由此，利用白光中子束的宽谱特点，能够高效、低成本的实现共振区能量范围的核素识别以及宽谱中子成像。进而满足绝大部分金属元素和非金属元素的识别要求。

参考图1，本实施例提供一种用于核素识别的白光中子成像系统，包括：白光中子源100、转换屏200、伽玛射线探测器以及成像单元。

所述白光中子源100可以在预订时间发射出预设能量范围的光中子，预设能量范围可以包括0.025eV(热中子能区)到几十兆电子伏(快中子)中任意范围的光中子，本实施例中，将白光中子源100发出的光中子称为第一白光中子。

所述转换屏200具有预设厚度，且材料为B-10，所述转换屏200可以俘获出射至所述转换屏200表面上的第二白光中子，并将俘获的所述第二白光中子转换成转换射线，所述转换射线中包括伽玛射线。

本实施例中，将打在所述转换屏上的光中子成为第二白光中子，例如，当出射的第一白光中子路途中经过样品，第一白光中子透过样品后为第二白光中子，第二白光中子打在所述转换屏上。

本实施例中，所述转换屏200为厚度为0.08mm-10mm的纯B-10制作的板状屏。当一个光中子打在B-10制作的板状屏上之后，可以放出一个约480keV的伽玛射线。因此，当检测到480keV的伽玛射线即可视为捕获了一个光中子。

参考图2，本实施例提供中子能量和转换屏200最优厚度之间的关系，例如，所述白光中子源100所发出的光中子能量是10⁶eV时，可以将B-10转换屏200的厚度设置为10mm，这样可以使得B-10转换屏200吸收效率最高，转化效果最好；例如，所述白光中子源100所发出的光中子能量是1eV时，可以将B-10转换屏200的厚度设置为0.3mm，这样可以使得B-10转换屏200吸收效率最高，转化效果最好。

本实施例中，所述转换屏200的表面与所述白光中子束的入射的束流之间可以是相互垂直或者是形成夹角。当所述转换屏200的表面与所述白光中子束的入射的束流之间成垂直状态时，使用伽玛射线探测器在所述转换屏200的背面接收所转换的伽玛射线；当所述转换屏200的表面与所述白光中子束的入射的束流之间形成一定夹角时，使伽玛射线探测器在相对所述转换屏200的任意位置，能够接收到伽玛射线即可。

本实施例中，所述转换屏200的表面与所述白光中子束的入射的束流之间的夹角成45°设置。

所述伽玛射线探测器用于探测经过所述转换屏200转换后所发出的伽玛射线的位置信息或能量信息。

本实施例中，所述伽玛射线探测器为碲锌镉半导体探测器300。由于碲锌镉探测器对伽玛射线敏感，且碲锌镉半导体探测器300最佳分辨率的工作能段也在几百keV，且有很高的探测效率。结合伽玛射线大约为480keV的特征，使得可以结合像素型碲锌镉半导体探测器300的高能量分辨、高位置分辨、高探测效率的特点，更好的实现中子成像功能。

可以理解的是，当所述转换屏200俘获中子后，94％的概率放出阿尔法粒子和Li-7粒子以及480keV的伽玛射线，利用碲锌镉半导体探测器300对光子能量进行筛选，仅记录能量约为480keV的伽玛射线，避免伽玛射线(其他条件下产生的)的影响，提高探测精度和效率。

本实施例中，所述伽玛射线探测器与所述白光中子束的束流成90°。

所述成像单元可以根据所接收的伽玛射线的位置信息或能量信息得到入射在所述转换表面屏上的第二白光中子的位置信息或能量信息。由于碲锌镉半导体探测器300所探测到的伽玛射线的位置信息和能量信息能够与转换前的第二白光中子的位置信息和能量信息对应起来，因此，能够通过所探测得到的伽玛射线实现中子成像。

本实施例中，所述白光中子成像系统中还包括中子飞行时间计时器，可以记录白光中子源100发射的第一白光中子从发射到被伽玛射线探测器接收的飞行时间。从而可以通过记录白光中子飞行的时间与距离推测中子飞行速度以及中子能量，从而可以对中子能量进行筛选，以过滤无效信息，从而使得成像系统的效果更好。

基于上述实施例中的白光中子成像系统，本实施例中还提供一种用于核素识别的白光中子成像方法，包括：

步骤1，将待测样品10放置在上述中的白光中子成像系统中的白光中子源100和转换屏200之间。

步骤2，由所述白光中子源在预定时刻发射第一白光中子，所述第一白光中子透过所述待测样品后的第二白光中子打在所述转换屏上。

本实施例中，所述白光中子源所发出的光中子称为第一白光中子，经过待测样品后，由于待测样品的核素不同，对光中子的吸收效果不同，因此透过待测样品后的光中子称为第二白光中子，如果能够得到第二白光中子的能量信息和位置信息，则可以通过对比和分析，对待测样品进行成像，或得到待测样品的核素检测结果。

在对样品进行核素识别检测时，可以基于时间飞行法，通过测量中子从发出到所述转换屏接收之间的距离L、中子出发的初始时间T₀和中子到达转换屏的时间T_S，或者探测到转换成伽玛射线的时间T_D等数据，对透射中子能量进行筛选，可以过滤掉散射中子和伽玛本底等无效信息，从而降低噪声干扰。

步骤3，由伽玛射线探测器检测得到的伽玛射线的位置信息或能量信息，得到入射在所述转换屏表面上的第二白光中子的位置信息或能量信息。

本实施例中，通过碲锌镉半导体探测器探测得到伽玛射线的位置信息和能量信息。

本实施例中，通过重建伽玛射线探测器探测到的位置信息或能量信息得到伽玛射线在所述转换屏上的出射位置及对应的强度，进而可以得到第二白光中子的位置信息和能量信息。

本实施例中，还可以包括：在不放置待测样品的情况下，所述第一白光中子打在所述转换屏上，得到第一白光中子的位置信息和能量信息。

一些实施例中，所述第一白光中子的位置信息或能量信息可以是对应的白光中子成像系统中预设的标准值信息，可以用于对待测样品进行成像。

步骤4，根据所述第二白光中子的位置信息或能量信息确定所述第二白光中子的扫描数据，所述扫描数据包括所述第二白光中子的束斑分布情况以及待测样品中所含的核素信息。

本实施例中，根据所述第二白光中子的位置信息和能量信息确定所述第二白光中子的束斑分布情况以及待测样品中所含的核素信息，包括：基于核素特征共振峰结构，判定待测样品中所含的核素信息。例如，当待测样品内部核素是Ti-47时，Ti-47对不同能量中子的吸收结果如图3，当待测样品内部核素是Ag-109时，Ag-109对不同能量中子的吸收结果如图4，可见，每种核素所对应的核素特征不同，因此可以基于所检测得到的核素特征信息，推测样品中所含的核素信息。

本实施例中，还包括：多次将待测样品进行预设角度旋转，分别获取待测样品每个方向上的扫描数据，以得到待测样品360°的全面扫描数据。例如，每次对待测样品旋转30度角，重复上述检测步骤，直至完成360度的数据扫描，通过处理，例如，可以基于滤波反投影图像重建算法对样品内部细节进行三维图像的重建，从而可以获得待测样品目标核素的三维空间分布情况。

本实施例中提出以纯B-10同位素材质作为光子转换材料，其伽玛能量高，无避光要求，因此能够有效降低天然可见光的干扰，可大大降低中子筛选的误差。所提出的用于核素识别的白光中子成像方法覆盖能量范围广，覆盖能量从热中子到几十兆电子伏，能够满足大部分金属核素识别成像的要求，且能够获得样品内目标核素的三维空间分布情况。

本实施例中还提出不同中子能量匹配最优B-10转换屏厚度的方法，提高了中子探测效率，实现全能区的优化；进一步地，本实施例中还使用两步能量筛选，即根据480keV光子能量及定时信号筛选中子能量，进一步降低了由散射中子和伽玛本底造成的噪声干扰。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种用于核素识别的白光中子成像系统，其特征在于，包括：

白光中子源，用于出射第一白光中子；

转换屏，所述转换屏具有预设厚度，且材料为B-10，所述转换屏用于俘获出射至所述转换屏表面上的第二白光中子，并将俘获的所述第二白光中子转换成转换射线，所述转换射线中包括伽玛射线；

伽玛射线探测器，能够探测经过所述转换屏转换后所发出的伽玛射线的位置信息或能量信息；

成像单元，用于根据所接收的伽玛射线的位置信息或能量信息得到入射在所述转换表面屏上的第二白光中子的位置信息或能量信息。

2.如权利要求1所述的白光中子成像系统，其特征在于，所述伽玛射线探测器为碲锌镉半导体探测器。

3.如权利要求1所述的白光中子成像系统，其特征在于，所述转换屏的厚度为0.08mm-10mm。

4.如权利要求1所述的白光中子成像系统，其特征在于，所述白光中子源出射的白光中子束能量包括热中子能区到快中子能区。

5.如权利要求1所述的白光中子成像系统，其特征在于，所述转换屏的表面与所述白光中子的入射束流成45°；所述伽玛射线探测器与所述白光中子的入射束流成90°。

6.如权利要求1所述的白光中子成像系统，其特征在于，还包括中子飞行时间计时器，用于记录白光中子源发射的第一白光中子从发射到被伽玛射线探测器接收的飞行时间。

7.一种用于核素识别的白光中子成像方法，其特征在于，包括：

将待测样品放置在如权利要求1-6中任一所述的白光中子成像系统中的白光中子源和转换屏之间；

由所述白光中子源在预定时刻发射第一白光中子，所述第一白光中子透过所述待测样品后的第二白光中子打在所述转换屏上；

由伽玛射线探测器检测得到的伽玛射线的位置信息或能量信息，以得到入射在所述转换屏表面上的第二白光中子的位置信息或能量信息；

根据所述第二白光中子的位置信息或能量信息确定所述第二白光中子的扫描数据，所述扫描数据包括所述第二白光中子的束斑分布情况以及待测样品中所含的核素信息。

8.如权利要求7所述的白光中子成像方法，其特征在于，根据所述第二白光中子的位置信息或能量信息确定所述第二白光中子的扫描数据，包括：基于核素特征共振峰结构，判定待测样品中所含的核素信息。

9.如权利要求7所述的白光中子成像方法，其特征在于，还包括：在不放置待测样品的情况下，所述第一白光中子打在所述转换屏上，得到第一白光中子的束斑分布情况。

10.如权利要求7所述的白光中子成像方法，其特征在于，还包括：多次将待测样品进行预设角度旋转，分别获取待测样品每个方向上的扫描数据，以得到待测样品360°的扫描数据；

根据所述全面扫描数据，进行图像重建得到待测样品内目标核素的三维空间分布情况。

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