CN114137007B - 一种用于桥梁无损检测的中子背散射成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于桥梁无损检测的中子背散射成像方法及系统，包括：中子源发出的中子照射到被测物上，再经被测物反射后通过位置灵敏探测器进行接收，根据位置灵敏探测器接收到的中子信息对被测物进行背散射成像，该方法及系统能够对混凝体桥梁进行中子背散射成像。
Description
技术领域
本发明属于无损检测及中子成像技术领域，涉及一种用于桥梁无损检测的中子背散射成像方法及系统。
背景技术
中子是组成原子核的基本粒子之一，不带电、具有磁矩、穿透性强，能分辨轻元素、同位素和近邻元素。与X射线相比，中子射线能够轻易地穿透钢筋混凝土、金属等密度较高的构件，但是对于一些轻质元素的衰减反而特别大。鉴于中子的这些独特的性质，近年来，中子照相技术在检测含氢材料、重金属组件结构、放射性材料等方面弥补了X光等其它无损检测技术的不足、已经开始被应用于制造业、能源化工、航空航天、国防军事等与国民经济和社会发展密切相关的领域，并发挥着越来越重要的作用。
目前桥梁大多由钢筋混凝土构件建造完成，而影响混凝土强度的常见缺陷主要为水隙及空洞。中子对混凝土中水的检测相较X射线更敏感，同时中子对混凝土的穿透能力较X射线更强，故中子照相技术对桥梁中的混凝土构件无损检测具有巨大优势。
上世纪50年代中子照相技术最初作为武器部件的质量检测和库存武器的可靠性常规检测手段开始进入人们的视线。到20世纪70年代初,中子照相已初步进入工业实用阶段。近年来，中子照相作为一种新兴无损检测方法已经愈加得到人们的重视及关注。经过多年的发展，中子照相已经衍生出了诸多种类，主要为透射式中子成像，相衬式中子成像和层析式中子成像。然而，这三种中子照相的检测方式都为中子源-被测物体-探测器的“三明治”结构，这意味着对于较大体积的被检测物，会出现中子较难穿透的情况。而且对于某些情况，比如被测物另一端嵌入土地，墙体或有其他构件阻挡等，会无法进行探测器的布置。例如桥梁构件中沥青、混凝土结构往往厚度较厚，中子透射成像效率低；道路、铁轨以及桥梁桥墩及锥形护坡上方，探测器无法在被测物另一端布置布置。而且，目前的中子照相大都在实验室阶段，只能检测体积较小的样品，对于中子较难穿透的大型构件还未有行之有效的检测手段。中子背散射成像通过接收被测样品反射的中子进行成像，大大提升了中子成像的灵活性，可以有效填补对于大型构件无损检测的空白。
中子背散射成像有别于传统中子透射成像，其原理为接受样品反射回来的中子进行投影成像。粒子的背散射技术由来已久，但是对于中子背散射成像的研究，目前国际上相关文献较少，属于刚起步阶段。
中子背散射成像技术最初应用于地雷的背散射成像。芬兰代尔夫特理工大学的Datema，Bom等人首次提出了中子背散射成像探雷的概念【Cor P.Datema,Victor R.Bom,Carel W.E.van Eijk.Monte Carlo simulations of landmine detection usingneutron backscattering imaging.Nuclear Instruments and Methods in PhysicsResearch A 513(2003)398–402】。由于炸药中H、N元素含量高，对中子有着有效的散射作用，而土壤中的其他元素对中子的散射作用弱。基于这一差别，通过检测背散射回来的热中子分布，即可粗略获得地雷的背散射图像，达到背散射探雷的目的。我国工程物理研究院曹琳、储诚胜等人【曹琳.热中子背散射探雷技术[C].中国核物理学会、国家核技术工业应用工程技术研究中心(National Engineering Research Center of Nuclear TechnologyApplication in Industry).第二届全国核技术及应用研究学术研讨会大会论文摘要集.中国核物理学会、国家核技术工业应用工程技术研究中心(National EngineeringResearch Center of Nuclear Technology Application in Industry):中国核物理学会,2009:92-100.】，原子能科学研究院丰树强、张国光等人【丰树强,张国光.中子背散射探雷的蒙特卡罗模拟[J].中国原子能科学研究院年报,2010(00):348-349.】在2010年左右对中子背散射成像探雷技术做了一定的研究。
2017年，本团队与日本理化学研究所中子技术开发研究室合作，在小型加速器中子源RANS上，首次对混凝土中水隙及空洞进行了背散射成像实验。实验用亚克力材料代替水，通过检测经亚克力材料慢化、反射后的热中子分布，采用飞行时间法(TOF)，探测同混凝土中元素作用截面最大的能量范围。实验证明，当检测背散射热中子时，可探测6cm以下水隙和空洞的二维分布，这意味着针对混凝土的中子背散射成像成为可能，然而现有技术中并没有给出利用光子对混凝土桥梁内部水隙孔洞进行检测的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种用于桥梁无损检测的中子背散射成像方法及系统，该方法及系统能够对混凝体桥梁进行中子背散射成像。
为达到上述目的，本发明所述的用于桥梁无损检测的中子背散射成像方法包括：中子源发出的中子照射到被测物上，再经被测物反射后通过位置灵敏探测器进行接收，根据位置灵敏探测器接收到的中子信息对被测物进行背散射成像。
所述位置灵敏探测器为热中子探测器。
所述位置灵敏探测器为快中子探测器。
中子源发出的中子束自上到下射出。
本发明所述的用于桥梁无损检测的中子背散射成像系统包括中子源、屏蔽体、束流孔道、闪烁体位置灵敏探测器及CCD相机，其中，中子源束流孔道、闪烁体位置灵敏探测器均位于屏蔽体内，且屏蔽体位于被测物上，中子源产生的中子经束流孔道及闪烁体位置灵敏探测器后照射到被测物上，然后经被测物反射后入射到闪烁体位置灵敏探测器中，闪烁体位置灵敏探测器的输出端与CCD相机相连接。
闪烁体位置灵敏探测器的输出端与CCD相机通过光纤相连接。
在工作时，闪烁体位置灵敏探测器接收到被测物反射后的光子后，再利用闪烁体位置灵敏探测器中的闪烁体将中子信号转换为荧光信号，然后通过光纤传输给CCD相机。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的用于桥梁无损检测的中子背散射成像方法及系统在具体操作时，利用中子源产生的中子照射到被测物上，再经被测物发射，然后利用位置灵敏探测器进行接收，以获取被测物内部对应缺陷的近似二维高斯分布图像，实现对混凝体桥梁进行中子背散射成像，弥补现有无损检测技术的不足。需要说明的是，本发明中的成像主要依靠背散射中子的统计规律，不需采用高分辨率探测器，设备成本更低，另外，在具体操作时，采用差值图像，可以消除入射中子对成像的影响，能够直接将探测器布置在束流出口，节省空间，利于屏蔽，同时拥有更直观的成像结果。
进一步，中子源发出的中子束自上到下射出，屏蔽难度低，能够仅通过适当的屏蔽就可将放射性维持在极低的水平，以保障环境和人员的安全。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明在不同物质中不同缺陷的背散射成像结果图。
其中，1为中子源、2为屏蔽体、3为束流孔道、4为闪烁体位置灵敏探测器、5为光纤、6为CCD相机、7为被测物。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
参考图1及图2，本发明所述的用于桥梁无损检测的中子背散射成像方法，其特征在于，包括：中子源1发出的中子照射到被测物7上，再经被测物7反射后通过位置灵敏探测器进行接收，根据位置灵敏探测器接收到的中子信息对被测物7进行背散射成像。
所述位置灵敏探测器为热中子探测器；或者所述位置灵敏探测器为快中子探测器，其中，热中子探测器对氢含量较高的缺陷(如水等)分辨能力更强，快中子探测器可以有效分辨样品内部密度不均的情况；
中子源1发出的中子束自上到下射出。所述中子源1可以为同位素中子源、反应堆中子源或加速器中子源；通过屏蔽体2屏蔽中子源1以及背散射成分中的中子及γ射线。
本发明所述的用于桥梁无损检测的中子背散射成像系统包括中子源1、屏蔽体2、束流孔道3、闪烁体位置灵敏探测器4及CCD相机6，其中，中子源1束流孔道3、闪烁体位置灵敏探测器4均位于屏蔽体2内，且屏蔽体2位于被测物7上，中子源1产生的中子经束流孔道3及闪烁体位置灵敏探测器4后照射到被测物7上，然后经被测物7反射后入射到闪烁体位置灵敏探测器4中，闪烁体位置灵敏探测器4的输出端与CCD相机6相连接，其中，闪烁体位置灵敏探测器4的输出端与CCD相机6通过光纤5相连接。
在工作时，闪烁体位置灵敏探测器4接收到被测物7反射后的光子后，再利用闪烁体位置灵敏探测器4中的闪烁体将中子信号转换为荧光信号，然后通过光纤5传输给CCD相机6。
Claims (3)
1.一种用于桥梁无损检测的中子背散射成像方法，其特征在于，包括：中子源(1)发出的中子经束流孔道(3)照射到被测物(7)上，经被测物(7)反射后通过闪烁体位置灵敏探测器(4)进行接收；
闪烁体位置灵敏探测器(4)中的闪烁体将中子信号转换为荧光信号，然后通过光纤(5)传输给CCD相机(6)，进行背散射成像；
其中，闪烁体位置灵敏探测器(4)位于束流孔道(3)靠近被测物(7)的一端，CCD相机(6)位于束流孔道(3)的外侧；
中子源(1)、束流孔道(3)、闪烁体位置灵敏探测器(4)均位于屏蔽体(2)内，且屏蔽体(2)位于被测物(7)上。
2.根据权利要求1所述的用于桥梁无损检测的中子背散射成像方法，其特征在于，中子源(1)发出的中子束自上到下射出。
3.一种用于桥梁无损检测的中子背散射成像系统，其特征在于，包括中子源(1)、屏蔽体(2)、束流孔道(3)、闪烁体位置灵敏探测器(4)及CCD相机(6)，其中，中子源(1)、束流孔道(3)、闪烁体位置灵敏探测器(4)均位于屏蔽体(2)内，且屏蔽体(2)位于被测物(7)上，中子源(1)产生的中子经束流孔道(3)及闪烁体位置灵敏探测器(4)后照射到被测物(7)上，然后经被测物(7)反射后入射到闪烁体位置灵敏探测器(4)中，闪烁体位置灵敏探测器(4)的输出端与CCD相机(6)通过光纤(5)相连接。
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