CN115541635B - 一种d-t中子成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种D‑T中子成像方法及系统。该方法包括确定D‑T中子的出射时间和出射方向;获取探测的中子的探测时间和探测方位;根据D‑T中子的出射时间和出射方向以及探测时间和探测方位在探测到的中子筛选出透射中子;根据透射中子对应的α探测器的位置、中子成像探测阵列的位置结合氚靶在空间的位置,确定D‑T核反应发生在氚靶上的位置,进而重建整个D‑T源区的位置及分布;对D‑T源区按重建位置分辨大小进行子源区细分,获得每一个子源区对应的透射曲线;对每个子源区对应的透射曲线进行图像重建。本发明能够大幅提升现有D‑T中子标记成像的空间分辨,同时保留其本底抑制能力,获得高对比度、高空间分辨重建图像。
Description
技术领域
本发明涉及核探测技术及中子应用技术领域,特别是涉及一种D-T中子成像方法及系统。
背景技术
由于快中子穿透能力较强,使得快中子照相可对大尺寸部件、高密度对象进行内部结构成像,达到内部结构无损检测的目的。因中子对轻元素敏感,可识别高Z材料中包裹的低Z材料,因此,中子成像可以弥补X射线和γ射线照相在该方面应用的不足,进而在功能上相互补充,具有不可替代的重要地位,在很多重要领域有着极为广泛的应用。
针对快中子照相技术,目前主要分为两个方向:一种是对高通量快中子源(D-D/T/Be,反应堆裂变中子等)进行屏蔽准直后,结合后端高分辨快中子转换屏和CCD数字相机,通过光信号积分的方式建立快中子照相系统。另一种则是基于D-T中子源,通过对D-T核反应伴随中子产生的α粒子的探测,利用α粒子与出射中子在质心系下方向相反的特点,对出射中子进行时间与方向的双重标记,实现出射中子的自准直。
针对第一种方式,国际国内均开展过大量的研究,并在诸多领域有所应用。例如:美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的J. Hall团队基于RFQ加速器中子源建立了一套快中子照相系统。通过对D-D快中子进行屏蔽准直后,采用BC408型塑料闪烁体屏耦合数字CCD相机搭建了该快中子照相系统,对武器模型(高Z材料包裹低Z材料)的照相性能进行了实验分析,单张照片积分中子通量为3×108cm-2,照相时间为1h,空间分辨率约1mm;瑞士保罗谢勒研究所和德国联邦物理技术研究院基于Be(D,n)加速器建立一套快中子照相系统,用于金属管中两相流检测实验研究。中子源通过Be(D,n)反应产生了平均能量为6MeV的中子,采用塑料纤维闪烁屏与数字CCD相机建立了快中子照相系统,成功地检测到了两相流中瞬时气体体积分布和气泡尺寸,系统空间分辨率约为1.76mm;美国LLNL实验室基于LANSCE散裂中子源的FP15R束线站建立了TiGReSSE装置,利用闪烁体转换屏进行中子-可见光转换,基于飞行时间法进行了高能中子时间分辨选能成像技术的研究,验证了时间分辨成像技术用于高密度大部件内部结构成像的可行性;中国原子能研究院核数据测量国家重点实验室基于D-T加速器中子源建立了快中子照相系统,用于开展铁、铅和聚乙烯等复合材料的照相实验及应用实验研究,其平均源强为,采用聚丙烯Zn(Ag)屏与数字CCD相机建立了一套快中子照相系统,空间分辨可达1mm;中国工程物理研究院核物理与化学研究所基于K-400加速器中子源建立了快中子照相系统,开展快中子照相系统性能实验研究。其中子平均源强为,系统空间分辨率约为1mm。
针对第二种基于伴随α标记D-T中子源的标记成像技术,其通过对伴随α粒子的探测,实现了对D-T中子出射方向与时间的双重标记,通过空间与中子飞行时间两个维度的筛选,可有效抑制散射中子、特殊核材料裂变中子、活化伽马等大量本底,进而对待检物项进行高对比度内部结构高质量成像。目前,以美国为主的欧美国家基于该技术在特殊核材料检测方向开展了大量研究,研发了基于伴随α粒子探测的核材料鉴别系统(NMIS,FNMIS,APNIS)。其基于美国热电公司API-120型D-T中子发生器,结合后端成像探测器阵列,可实现对核材料内部结构进行成像检测。其中子束斑约为5-6mm (FWHM),中子产额约为4×107cm-2。其采用了放大成像的方式,实现了mm量级的空间分辨。
中国工程物理研究院材料研究所基于带伴随α高精度标记D-T中子源,利用16个的快中子探测器组成中子照相探测阵列,利用V1730数据采集卡搭建了数字化数据采集系统。通过多次微旋转平移,完成了国内首次ns时间门控D-T中子标记成像实验,并基于滤波反投影重建算法获得了双层铁圆筒的断层重建图像,实现了mm精度结构尺寸信息提取。
基于屏蔽准直+CCD相机方式的积分中子照相技术尽管在系统空间分辨上有着一定优势(以牺牲中子注量提高系统准直比和牺牲中子探测效率以提高中子探测器本征空间分辨为代价),但其仍存在较多的问题,包括主要依赖于高通量中子源(如反应堆、散裂源等),一般用户难以获取,其准直屏蔽体构造复杂,难以兼顾提高中子注量、减小散射中子和活化产生的γ射线等问题,造成了大量的干扰本底。尽管针对性开展了一些优化研究,但在某些特殊领域仍存在一定局限,如反应堆燃料棒的结构检测,由于大量裂变中子的干扰,将严重恶化图像质量。
不同于采用固定位置和大小的准直系统(即物理确定的中子束斑尺寸)的积分中子成像技术,虽然D-T中子标记成像技术的本底抑制能力较强,但其缺陷是系统空间分辨较差,中子束斑依赖于D离子束与氚靶的作用位置及其分布。在照相过程中D离子束可能存在一定的空间位置晃动,不确定性较高,且其位置与空间分布未知,对成像系统空间分辨带来了一定的影响。同时,为获得较高的中子探测效率,其成像阵列通常采用独立的中子探测器(cm量级),即使采用放大成像技术,其系统空间分辨仍在数mm量级。
另一方面,D-T中子标记成像技术,其成像原理与传统CT类似,系统理论极限空间分辨率主要与系统射线束焦点尺寸、探测器的有效宽度和系统放大倍数相关。根据ASTM标准E1441-00,射线的等效束宽决定了成像系统可能达到的极限空间分辨率。等效束宽定义如所示。
从上述公式可以看出,射线束斑尺寸对于系统极限空间分辨有着极为重要的影响。在当前的工业CT系统业界,为追求更高的系统空间分辨率,更是发展了一系列的微焦点X射线源,其X射线束斑尺寸可达甚至nm量级。而当前用于快中子照相的D-T中子源,存在由于束斑过小使得靶上功率密度极高,引起靶点中心温度急剧升高,氚靶中氚大量释放,氚靶寿命过短的问题;同时,因为D-T标记中子照相技术对标记时间与方向的高精度要求,要求靶头不能过于复杂,难以加装结构复杂的外部冷却系统。因此,存在着成像系统高空间分辨对小束斑的要求与小束斑情形下氚靶寿命过短的矛盾。
因此,现有D-T中子照相技术中普遍存在的重建图像的空间分辨与图像对比度难共存的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种D-T中子成像方法及系统,能够大幅提升现有D-T中子标记成像的空间分辨,同时保留其本底抑制能力,获得高对比度、高空间分辨重建图像。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种D-T中子成像方法,包括:
利用带有α探测器的D-T中子源中D-T中子出射过程中产生的α粒子的时间和位置,确定D-T中子的出射时间和出射方向;
利用中子成像探测阵列获取探测的中子的探测时间和探测方位;
根据D-T中子的出射时间和出射方向以及探测时间和探测方位在探测到的中子筛选出透射中子;
根据透射中子对应的α探测器的位置、中子成像探测阵列的位置结合氚靶在空间的位置,确定D-T核反应发生在氚靶上的位置,进而重建整个D-T源区的位置及分布;
对D-T源区按重建位置分辨大小进行子源区细分,获得每一个子源区对应的透射曲线;
对每个子源区对应的透射曲线进行图像重建。
可选地,所述中子成像探测阵列包括:多个快中子探测器。
可选地,所述α粒子和中子利用数据采集系统进行采集。
可选地,所述数据采集系统为V1730数据采集卡。
可选地,所述根据D-T中子的出射时间和出射方向以及探测时间和探测方位在探测到的中子筛选出透射中子,具体包括:
将D-T中子与探测到的中子的初始运动方向一致并且符合14MeV中子对应的飞行时间的探测到的中子确定为透射中子;
将透射中子对应的α探测器的位置、中子成像探测阵列的位置及事件时间戳进行存储。
可选地,所述对每个子源区对应的透射曲线进行图像重建,具体包括:
采用滤波反投影重建算法或代数迭代重建算法对每个子源区对应的透射曲线进行图像重建。
一种D-T中子成像系统,包括:
D-T中子信息获取模块,用于利用带有α探测器的D-T中子源中D-T中子出射过程中产生的α粒子的时间和位置,确定D-T中子的出射时间和出射方向;
中子探测信息获取模块,利用中子成像探测阵列获取探测的中子的探测时间和探测方位;
透射中子筛选模块,用于根据D-T中子的出射时间和出射方向以及探测时间和探测方位在探测到的中子筛选出透射中子;
D-T源区重建模块,用于根据透射中子对应的α探测器的位置、中子成像探测阵列的位置结合氚靶在空间的位置,确定D-T核反应发生在氚靶上的位置,进而重建整个D-T源区的位置及分布;
透射曲线确定模块,用于对D-T源区按重建位置分辨大小进行子源区细分,获得每一个子源区对应的透射曲线;
图像重建模块,用于对每个子源区对应的透射曲线进行图像重建。
一种D-T中子成像系统,包括:至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令,当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现所述的一种D-T中子成像方法。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明所提供的一种D-T中子成像方法及系统,基于带高精度时间、方向标记D-T中子源开展D-T中子标记成像,通过对伴随α粒子的探测实现对D-T中子的出射时间及方向的高精度双重标记,进而达到大幅扣除散射等带来的本底信号,可以获得相比基于准直屏蔽+中子转换屏+CCD相机的积分中子成像方法更高的图像对比度;同时,相比于传统D-T中子标记成像方法,本方法在图像重建前,引入D-T反应源区的位置及分布重建,而后将较大的D-T反应源区划分为细小子源区并融合相对应透射曲线,进而保留更多内部结合细节和更为锐利的边缘信息,克服由于较大的中子束斑带来的系统空间分辨模糊的问题,获得空间分辨远高于传统D-T中子标记成像方法的重建图像。在此基础上,达成高空间分辨及高对比度的快中子成像目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种D-T中子成像方法流程示意图;
图2为基于伴随α粒子的D-T中子标记成像系统示意图;
图3为D-T中子标记n-α事例示意图;
图4为中子束斑(D-T反应源区)XOY平面投影及空间编码示意图;
图5为大束斑情形下及相应子源区X物件透射曲线示意图;
图6为D-T中子时间、方向标记原理图(α1、α2及α3仅作3个典型示意,实际上α粒子可能打在位置/时间灵敏α探测器的任何位置处,1为氚靶,2为D-T反应源区)
图7为实验室系下的α粒子与中子的出射角度示意图;
图8为子源区重建图像修正系数示意图;
图9为系统示意图。
具体实施方式
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实施例,而不是全部的实施例。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,都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种D-T中子成像方法及系统,能够大幅提升现有D-T中子标记成像的空间分辨,同时保留其本底抑制能力,获得高对比度、高空间分辨重建图像。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的一种D-T中子成像方法流程示意图,如图1所示,本发明所提供的一种D-T中子成像方法,基于伴随α粒子高精度时间、方向标记技术的D-T中子标记成像,利用D-T核反应产生的方向近乎相反的α粒子(约3.5MeV)与出射中子(约14MeV)间的一一对应关系,通过对α粒子的探测实现对中子的出射时间与方向进行高精度双重标记,实现D-T中子的自准直目的。所述方法包括:
S101,利用带有α探测器的D-T中子源中D-T中子出射过程中产生的α粒子的时间和位置,确定D-T中子(被标记的种子)的出射时间和出射方向;
由带高精度时间、方向标记D-T中子源产生D-T中子及其伴随α粒子,由伴随α探测器,通过对α粒子的探测,获得高分辨探测时间及位置,结合α探测器与氚靶的空间几何位置关系,给出D-T中子的出射时间与方向锥角信息,如图6所示;
S102,利用中子成像探测阵列获取探测的中子的探测时间和探测方位;中子成像探测阵列,由一系列小尺寸快中子探测器组成(具体大小可根据用户需求的系统空间分辨及探测效率决定),该阵列探测到中子后,通过飞行时间方法与前端伴随α探测器给出的α信号的时间信号关联,结合α探测器给出的方向锥角信息,可以判断出所探测到的中子是否为透射中子(透射中子飞行时间与出射方向与伴随α探测器给出的出射时间与方向锥角相符,散射等其他中子因轨迹/能量改变,致使飞行时间过长/出射方向不在标记锥角内),进而挑选出透射中子,大幅度抑制散射等本底信号。
中子信号及伴随α信号经数据采集系统(本发明中采用CAEN公司的V1730数据采集卡),伴随α探测器给出的时间信号作为开门信号,在设定的时间窗内(根据中子飞行世间法,在给定的距离即可计算处D-T中子所需飞行时间)判断中子探测阵列中是否有中子信号。
S103,根据D-T中子的出射时间和出射方向以及探测时间和探测方位在探测到的中子筛选出透射中子;
S103具体包括:
将D-T中子与探测到的中子的初始运动方向一致并且符合14MeV中子对应的飞行时间的探测到的中子确定为透射中子;
通过比较被标记的中子与探测到的中子出射方向以及探测时间,判断测量到的中子为透射中子、散射中子、裂变中子或(n,2n)中子等。
诱发裂变中子及(n,2n)中子是通过判断在适当的飞行时间窗内是否存在多个同时测量到的中子事例进行识别;弹性散射中子是可通过判断散射角和飞行时间与被标记中子和假定质量数的原子核发生单次弹性散射时的结果是否一致进行识别。即可实现三种模态的快中子成像,包括透射成像、弹性散射成像和诱发裂变成像,D-T中子标记成像系统示意如图2所示,包括带时间、方向标记的D-T中子源(带伴随α探测器系统的D-T中子源,详细参见专利“一种α探测器及D-T中子标记系统”)、中子探测器阵列。
将透射中子对应的α探测器的位置、中子成像探测阵列的位置及事件时间戳进行存储。
如图3所示,作为一个具体的实施例,基于D-T反应产生的α粒子与中子间的一一对应关系,通过中子飞行时间方法及空间几何关系实现α粒子与出射中子在时间与方向符合,即可构建一例有效事件。如考虑α探测器左下角的像素i与中子探测器右上角的像素j,只有当氚靶(即T)上的D-T聚变反应发生在特定的局部区域,即满足D-T核反应动力学条件下的几何空间关系(D-T反应产生一对空间上方向相反的α粒子与中子),才会有相应的符合α-中子事件。
D-T反应产生的α粒子与中子在质心系下方向相反,呈180度角,但通常入射D离子均具有一定动能(通常约80-100keV),由于动量守恒,聚变反应产生的α粒子与中子在YOZ平面并不共线,如图4所示,在进行计算时需要考虑二者间的夹角。
S104,根据透射中子对应的α探测器的位置、中子成像探测阵列的位置结合氚靶在空间的位置,确定D-T核反应发生在氚靶上的位置,进而重建整个D-T源区的位置及分布;
D-T中子标记成像系统的出射中子束斑由入射D束与氚靶几何结构决定。D束分布通常为二维高斯分布,如氚靶平面与D束入射方向成45度时,成像系统有效中子束斑即空间分布XOY平面投影等同入射D束束斑及分布,如图4中的(a)部分所示。在获得D-T聚变反应源区空间分布且与α-n探测事例一一对应的基础上,将较大的中子束斑分为一系列更小尺寸的子源区(如图4中的(b)部分所示)。基于当前发展已极为成熟的代数迭代及滤波反投影重建算法对每个子源区对应的α-n事例进行图像重建,从而获得多幅已知不同空间位置小束斑源背景下的重建图像,进而引入已知空间位置信息,将多幅图像融合为一幅高质量待检物项内部结构重建图像。
S105,对D-T源区按重建位置分辨大小进行子源区细分,获得每一个子源区对应的透射曲线;
在重建出源区分布后,将原本较大的中子束斑划分为一系列细小子源区后,各子源区对应透射曲线在整体上呈一种左右平移,其对应重建出的图像等效于相应角度的旋转,考虑子源区实际空间位置变化引起的系统放大倍数变化、成像中心变化后,可将重建图像进行对应的缩放、旋转后即可融合为一副完整的高分辨、高对比度重建图像,如图5所示。经融合后,透射曲线可反映出更多细节信息,边缘更加锐利,进而在图像重建中克服大束斑带来的空间模糊。
S106,对每个子源区对应的透射曲线进行图像重建。
α信号位置及中子探测器空间信息已知,D-T核反应同时产生的α粒子与中子在质心系下出射方向相反(成180度),因D束具有一定初始动能,则α粒子与中子在实验室坐标系统不是严格的180度,具体夹角计算见图7及公式(1)及公式(2)。因此通过α探测位置及中子探测器位置信息,结合氚靶在空间的具体位置,即可获得D-T核反应发生在氚靶上的具体位置,在重建了整个D-T源区位置及分布后,将该源区按重建位置分辨大小进行子源区细分,获得每一个子源区对应的透射曲线,在完成待测对象的360度扫描后,针对每个子源区的透射曲线进行图像重建(可采用传统滤波反投影重建算法或代数迭代重建算法),由于子源区空间位置上的差异,导致系统放大倍数及视角发生改变,等效于重建图像的放大/缩小及旋转,根据子源区的具体位置,结合放大倍数变化及旋转后,具体放大倍数变化及旋转角度,如图8、图9及公式(3)和公式(4)所示,即可将所有子源区的重建图像融合为最终的一张高分辨、高对比度D-T中子标记断层重建图像。
针对不同子源区,获得其空间位置(x,y)后,源-样距dn及源-探测器距Dn分别为:
作为另一个实施例,本发明还提供一种D-T中子成像系统,包括:
D-T中子信息获取模块,用于利用带有α探测器的D-T中子源中D-T中子出射过程中产生的α粒子的时间和位置,确定D-T中子的出射时间和出射方向;
中子探测信息获取模块,利用中子成像探测阵列获取探测的中子的探测时间和探测方位;
透射中子筛选模块,用于根据D-T中子的出射时间和出射方向以及探测时间和探测方位在探测到的中子筛选出透射中子;
D-T源区重建模块,用于根据透射中子对应的α探测器的位置、中子成像探测阵列的位置结合氚靶在空间的位置,确定D-T核反应发生在氚靶上的位置,进而重建整个D-T源区的位置及分布;
透射曲线确定模块,用于对D-T源区按重建位置分辨大小进行子源区细分,获得每一个子源区对应的透射曲线;
图像重建模块,用于对每个子源区对应的透射曲线进行图像重建。
为了执行上述实施例一对应的方法,以实现相应的功能和技术效果,本发明还提供一种D-T中子成像系统,包括:至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令,当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现所述的一种D-T中子成像方法。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种D-T中子成像方法,其特征在于,包括:
利用带有α探测器的D-T中子源中D-T中子出射过程中产生的α粒子的时间和位置,确定D-T中子的出射时间和出射方向;
利用中子成像探测阵列获取探测的中子的探测时间和探测方位;
根据D-T中子的出射时间和出射方向以及探测时间和探测方位在探测到的中子筛选出透射中子;
根据透射中子对应的α探测器的位置、中子成像探测阵列的位置结合氚靶在空间的位置,确定D-T核反应发生在氚靶上的位置,进而重建整个D-T源区的位置及分布;
对D-T源区按重建位置分辨大小进行子源区细分,获得每一个子源区对应的透射曲线;
对每个子源区对应的透射曲线进行图像重建;
针对不同子源区,源-样距dn及源-探测器距Dn分别为:
利用公式M=Dn/dn确定放大倍数;
2.根据权利要求1所述的一种D-T中子成像方法,其特征在于,所述中子成像探测阵列包括:多个快中子探测器。
3.根据权利要求1所述的一种D-T中子成像方法,其特征在于,所述α粒子和中子利用数据采集系统进行采集。
4.根据权利要求3所述的一种D-T中子成像方法,其特征在于,所述数据采集系统为V1730数据采集卡。
5.根据权利要求1所述的一种D-T中子成像方法,其特征在于,所述根据D-T中子的出射时间和出射方向以及探测时间和探测方位在探测到的中子筛选出透射中子,具体包括:
将D-T中子与探测到的中子的初始运动方向一致并且符合14MeV中子对应的飞行时间的探测到的中子确定为透射中子;
将透射中子对应的α探测器的位置、中子成像探测阵列的位置及事件时间戳进行存储。
6.根据权利要求1所述的一种D-T中子成像方法,其特征在于,所述对每个子源区对应的透射曲线进行图像重建,具体包括:
采用滤波反投影重建算法或代数迭代重建算法对每个子源区对应的透射曲线进行图像重建。
7.一种D-T中子成像系统,其特征在于,包括:
D-T中子信息获取模块,用于利用带有α探测器的D-T中子源中D-T中子出射过程中产生的α粒子的时间和位置,确定D-T中子的出射时间和出射方向;
中子探测信息获取模块,利用中子成像探测阵列获取探测的中子的探测时间和探测方位;
透射中子筛选模块,用于根据D-T中子的出射时间和出射方向以及探测时间和探测方位在探测到的中子筛选出透射中子;
D-T源区重建模块,用于根据透射中子对应的α探测器的位置、中子成像探测阵列的位置结合氚靶在空间的位置,确定D-T核反应发生在氚靶上的位置,进而重建整个D-T源区的位置及分布;
透射曲线确定模块,用于对D-T源区按重建位置分辨大小进行子源区细分,获得每一个子源区对应的透射曲线;
图像重建模块,用于对每个子源区对应的透射曲线进行图像重建。
8.一种D-T中子成像系统,其特征在于,包括:至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令,当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的一种D-T中子成像方法。
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