CN1421690A - 中子衍射层析成像装置 - Google Patents

Abstract

一种中子衍射层析成像装置，包括转动平台、闪烁体、铝镜、CCD相机、计算机和暗箱，所说的闪烁体、铝镜和CCD相机放在暗箱中，中子束入射到放置在转动平台上的样品上，中子被样品产生的衍射中子垂直入射，被闪烁体接收，转化为含有样品信息的可见光，被铝镜反射进入CCD相机上，数字化后转入到计算机，其特点是：在转动平台之前，还设有由互相垂直放置的、具有一定曲率的单晶铝和单晶铝构成的单色聚焦器。本发明装置兼有中子衍射和中子层析的优点，能高分辨率地重构待测样品中待测元素的三维空间分布，特别是能测试和分辨吸收系数非常相近的元素的空间结构。

Description

中子衍射层析成像装置

技术领域：

本发明涉及中子衍射成像技术，特别是一种中子衍射层析成像装置。

背景技术：

近年来，随着反应堆技术和加速器中子技术的不断发展，中子在许多领域中获得了极为广泛的应用，特别是中子层析成像技术和中子衍射技术，已经作为一种无损检验的有效工具，可用来研究物体的三维结构。

1.中子衍射成像技术

中子或者其它任何具有波动性质的辐射源，只要其波长和原子间的间距是一个量级，都能用衍射特性来研究固体中原子的空间排列。

英国物理学家布喇格父子导出了形式简单、但能够说明晶体衍射基本关系的布喇格方程或“反射”定律。根据布喇格的证明，可以将晶体的衍射现象看作是由晶体某些晶面的“镜面反射”的结果。但不是任意的晶面，而只有这样的晶面：它与入射线所形成的角度θ和该晶面的晶面间距d以及入射线波长λ符合于下式时，才能产生反射：

                            2dsinθ＝nλ

式中，n为任意正整数，称为衍射级数。

这就是著名的布喇格方程。因此，实现衍射的各种方法都是在实验中，设法连续地变化波长λ或θ角，来满足衍射几何的要求，以达到产生衍射的目的。

中子衍射主要应用可以分为3类：

(1)固体结构研究，目的在于确定轻原子，尤其是氢气原子的位置。

(2)要求区别原子序数非常相近的那些原子，它们对X射线散射振幅是非常相似的，采用X射线衍射难以区分，例如生物大分子等。

(3)磁性材料研究，对于具有磁矩的原子会产生中子的附加散射。

衍射成像技术是材料科学中一个强有力的工具，现已获得全世界公认和广泛的应用。在历史上，维生素B₁₂和DXA的结构就是通过衍射成像发现的[参见在先技术：Hodgkin D.C.，Pickworth J，et al.Nature(London)，1955，176(4477)：325～328]。

中子衍射的实验装置：

实验装置如图1所示。

从反应堆一个准直管9中射出的中子束1射至一单色晶体13上，晶体13四周用笨重的屏蔽物10与反应堆隔离，只有一部分中子被选定在很窄的波带区中，经硼管14后用来照射样品2，样品2置于转动平台3上，被样品2衍射的中子束用三氟化硼正比计算器15(或He-3计数管)进行检测。含硼石蜡层11用来吸收中子，铅屏12用来吸收γ射线。

采用中子衍射的方法，既能适用于粉末状的多晶样品，也能适用于液体或单晶体。对于多晶样品，不论样品如何转动，各条衍射线总是存在的，这要求样品和计数器之间保持一定的距离。在研究单晶样品时，可以把计数器安置在离样品很近的地方。

上述方法的缺点是：不能给出样品中元素的三维分布。

2.中子层析成像

当中子束通过衰减系数μ、厚度为l的介质时，其衰减遵循比尔

                     I＝I₀ exp(-μl)(Beer)定律

当物体在投影方向衰减系数不均匀时，应有线积分： $I=I_0\exp [-\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}\mathrm{\μ}\left(l\right)\mathrm{dl}]$

当介质不但在投影方向，而且，在投影的垂直方向也不均匀时，上式成为 $I_{\mathrm{\φ}}\left(x_r\right)=I_0\exp [-\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}\mathrm{\μ}(x_r,y_r)d{y}_r]$ ${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\φ}}=-\ln \frac{I_{\mathrm{\φ}}\left(x_r\right)}{I_0}=\∫\mathrm{\μ}(x_r,y_r)d{y}_r$

对上式两边取对数，使方程线性化，得到新函数：

层析任务就是用所测得的_λφ(x_r)去得到μ(x_r，y_r)的分布。经过几代数学家的努力，发展了各种各样的方法。通常用以下两种方法进行图像复原：

Δ代数法：包括迭代法、回投影法

Δ解析法：包括拉冬法、傅里叶滤波法、卷积法、滤波回投影法等。

一个有趣的现象是，硬X射线的吸收系数随着原子序数的增加而不断增加，中子束却不能，除几个元素以外，如氢、锂、硼、镉以外，中子的吸收系数远远低于硬X射线。表1列出了几个常见元素的透射百分比。表1

材料	透射百分数
				中子(λ＝0.108nm)	X射线(λ＝0.154nm)
	6.3mm	6.3mm	0.1mm
				铝铜镉铅石墨氟化钙(单晶)	94670848097	00001/40	27100905

从上表可以看出，对于大部分重金属，X射线穿透深度受到了限制，而中子确大有作为，从某种意义说，中子层析和X射线层析是相互补充的。特别要提出的是，氢元素对中子有较大的吸收。因此，中子层析对一些含氢有机材料的检测，如：润滑油、塑料、金属外壳内的密封圈等很灵敏，对某些复杂的、要求非常苛刻的、运用在汽车行业上和宇航工业的大型重金属元件，中子层析也非常有价值。

中子层析实验装置

实验装置示意图如图2所示，平行中子束1入射到样品2上，样品2置于转动平台3上，中子经样品吸收以后，用闪烁体4[Z_ns(Ag)-⁶ZiF]记录接收不同角度下的投影值。每入射一个中子，闪烁体4将转换为级联光子，然后经铝镜5反射到CCD相机6上，输入到计算机8上去，当计算机读到来自于CCD相机6上的信号以后，控制转动平台3转动一个角度，进行下一轮中子束曝光。为了避免散射光对CCD的影响，闪烁体4，铝镜5和CCD相机6都放置在暗箱7中。

在取得足够的投影数据以后，计算机将给出整个样品图像[参见在先技术：S.Koerner，B.Schillinger，et al.，“A neutron to mography facilityat a low power researcu reactor”，Nuclear Instruments & Methods inPhysics Research，2001，A471，69-74.]

这种层析的最大缺点是：

(1)不能给出样品中某个特定元素的三维空间分布；

(2)如果两个吸收系数相近的元素，这个方法难以分辨，例如对于生物组织的测试，对比度差，分辨率低。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于，克服上述现有技术的缺陷，提出一种中子衍射层析成像装置，能够高灵敏地将待定元素，特别是吸收系数相近的生物组织的三维结构及其分布重构出来。本发明的技术解决方案如下：

一种中子衍射层析成像装置，包括转动平台，闪烁体，铝镜，CCD相机，计算机和暗箱，所说的闪烁体，铝镜和CCD相机放在暗箱中。中子束入射到放置在转动平台上的样品上，中子被样品产生的衍射中子垂直入射，被闪烁体接收，转化为含有样品信息的可见光，被铝镜反射进入CCD相机上，数字化后转入到计算机，其特点是：

①在转动平台之前，还设有由互相垂直放置的、具有一定曲率的单晶铝和单晶铝构成的单色聚焦器。

②所述转动平台的步进马达受到计算机的指令而转动，带动转动平台旋转或上、下运动。

上述的中子衍射层析成像装置，其特征在于所述单晶铝和单晶铝的曲率半径范围为50～100m。

上述的中子衍射层析成像装置，其特征在于所述的CCD相机被置于液氮中冷却。

上述的中子衍射层析成像装置，其特征在于所述的铝镜是在2mm玻璃基片的铝膜上，镀有一层保护膜而成。

上述的中子衍射层析成像装置，其特征在于所述的中子束是从裂变反应堆中子源辐射，并经准直器中出射的中子，该准直器是一具有矩形或圆形截面的钢盒或钢筒构成的。

上述的中子衍射层析成像装置，其特征在于所述的准直器的长度L和口径D之比L/D≈100。

本发明的重要优点：

(1)中子衍射层析成像兼备了衍射和层析的各自优点，能高分辨率地重构待测元素的三维空间分布。

(2)能测试和分辨吸收系数非常相近元素的空间结构，这一点是非常难能可贵的。这对于生物组织而言非常有利。

附图说明：

图1为在先技术中的中子层析装置示意图

图2为在先技术中的中子衍射装置原理图

图3为本发明中子衍射层析成像装置示意图

具体实施方式：

先请参阅图3。由图可见，本发明中子衍射层析成像装置由中子束1，单晶铝16、17，转动平台3，闪烁体4，铝镜5，CCD相机6，计算机8，暗箱7组成。

平行中子束1经一对单晶铝16、17形成的单色聚焦器单色化以后，入射到放置在转动平台3上的样品2上，中子被样品衍射以后，衍射信号被放在暗箱7中的闪烁体4接收，并转化成含有样品信息的可见光，被铝镜5反射进入到CCD相机6上，数字化以后输入到计算机8上，进行计算机数字重构。

所说的中子束1是从裂变反应堆中子源辐射，并经准直器出射的中子。该裂变反应堆中子源是把铀和钚等裂变材料作燃料，而以中子为媒介，维持可控链式裂变反应的装置，称为裂变反应堆，这种装置可获得高通量的中子辐射，可达10¹³～10²⁰中子数/秒，可以长期运行，并由一个具有矩形或圆形截面的钢盒或钢筒准直，从准直器中出射的中子，其发散度等于孔径和长度的比值，显然只要缩小孔径，增加长度可以大大改善发散度，获得准平行中子束。

所说的单晶铝16和单晶铝17，它们共同组成单色聚焦器，由于具有一定的曲率，其R＝100m，因此，既具有色散作用，又有聚焦功能，这两块单晶铝互相垂直放置。平行入射中子束1和单晶铝16成掠入射角θ时，产生布喇格反射，当单晶铝17和单晶铝16垂直放置时，它能将单晶铝16聚焦的一条线变成一个焦点，即用单晶铝17校正单晶铝16的像散。单色中子束进入到待测样品2中以后，只有特定的入射角θ才满足布喇格公式的衍射加强。因此，通过入射角θ的选择，可以选择样品中不同元素，进行层析成像。

所说的转动平台3受一步进马达的驱动，可进行上下运动和旋转运动，待测样品2放在该转动平台3上亦可上下运动和旋转运动。

所说的闪烁体4为ZnS(Ag)-LiF。由于中子在物质中不能直接引起原子的电离，没有电流输出，所以本发明中采用ZnS(Ag)-LiF。样品2中产生的衍射中子束，垂直入射到闪烁体4的屏上，每一个中子产生级联可见光子。

所说的铝镜5用来把闪烁体4产生的可见光，反射到CCD相机6上，CCD相机6为商业用CCD。

一准平行中子束1经单晶铝16、17聚焦和单色化以后，入射到放在转动平台3上的样品2上，只有入射角θ满足待测元素的布喇格公式的中子束，才能获得衍射加强。衍射的中子被闪烁体4接收，并转化成含有样品信息的可见光，经铝镜5反射到放在液氮中冷却的CCD相机6上，数字化后输入到计算机8上。计算机收到信号的同时，传送给步进马达，带动转动平台3自动进行下一次曝光，直到完成一个周期，即在一个断面上完成0～180°内的取样，之后将转动平台带动样品作向上或向下运动，进入另一个断面，重复上述测试，最后进行数字重构，获得各种元素的三维分布图。

通过入射角θ的选择，可以选择样品2中不同元素进行层析成像。

样品2中产生的衍射中子束，垂直入射到闪烁体4的屏上，闪烁体为ZnS(Ag)-⁶LiF。每一个中子产生级联可见光子，经铝镜5反射到CCD相机6上，铝镜是选择厚为2mm的玻璃板作片基，在铝膜上镀有一层保护膜，选择铝镜的目的在于，不让中子束直接入射到CCD相机6的芯片上，以免芯片被损坏。为了减小CCD相机6的暗电流，将其放入到液氮中进行冷却，这对于使用较低中子通量、长时间曝光的实验非常重要，闪烁器4，铝镜5和CCD相机6要放在暗盒7中，以免杂散的可见光影响测试数据。转动转动平台3，测得各待测元素的衍射峰值以后，就可用计算机进行重构。

本发明中，中子衍射层析成像系统也可以用来进行中子衍射和中子层析成像研究，该系统在生物医学、材料结构、考古学、航天航空、宇宙化学和兵器工业等方面有着极为广泛的应用前景，这一新的技术、新的方法，为人们探索新的自然规律提供了一个强有力的工具。

Claims (6)

1.一种中子衍射层析成像装置，包括转动平台(3)，闪烁体(4)，铝镜(5)，CCD相机(6)，计算机(8)暗箱(7)，所说的闪烁体(4)，铝镜(5)和CCD相机(6)放在暗箱(7)中。中子束(1)入射到放置在转动平台(3)上的样品(2)上，中子被样品(2)产生的衍射中子垂直入射，被闪烁体(4)接收，转化为含有样品信息的可见光，被铝镜(5)反射进入CCD相机(6)上，数字化后转入到计算机(8)，其特征是：

①在转动平台(3)之前，还设有由互相垂直放置的、具有一定曲率的单晶铝(16)和单晶铝(17)构成的单色聚焦器。

②所述转动平台(3)的步进马达受到计算机(8)的指令而转动，带动转动平台(3)旋转或上、下运动。

2.根据权利要求1所述的中子衍射层析成像装置，其特征在于所述单晶铝(16)和单晶铝(17)的曲率半径范围为50～100m。

3.根据权利要求1所述的中子衍射层析成像装置，其特征在于所述的CCD相机(6)被置于液氮中冷却。

4.根据权利要求1所述的中子衍射层析成像装置，其特征在于所述的铝镜(5)是在2mm玻璃基片的铝膜上，镀有一层保护膜而成。

5.根据权利要求1所述的中子衍射层析成像装置，其特征在于所述的中子束(1)是从裂变反应堆中子源辐射，并经准直器中出射的中子，该准直器是一具有矩形或圆形截面的钢盒或钢筒构成的。

6.根据权利要求5所述的中子衍射层析成像装置，其特征在于所述的准直器的长度L和口径D之比L/D≈100。

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