專利名稱：中子衍射增強成像裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及中子成像，特別是一種中子衍射增強成像裝置，它在國防工業(yè)、生物醫(yī)學等方面有著極其廣泛的用途。
背景技術：
中子屬于四大類基本粒子之一的重子，具有一定的靜止質量、不帶電荷、自旋為1/2、負的磁矩和自由中子不穩(wěn)定，發(fā)生β衰變等基本特性。
中子與物質相互作用，不同于帶電粒子和電磁波(X和γ射線)，中子不帶電荷，射入物質時不僅與核外電子幾乎沒有作用，不需要克服電荷庫侖力障礙，因而能量很低的中子也能進入原子核(靶核)內引起各種核反應，而且反應幾率往往很大。
中子與核的相互作用可以被看成是中子波與核的相互作用。根據物質的波動理論，由德布羅意公式，在非相對論時，粒子波長為λ＝h/p＝h/mvλ為粒子的德布羅意波長，h為普朗克常數，p為粒子動量，m為粒子質量，v為速度。由此可以推導出公式λ()＝0.286Tn-12，其中Tn為中子動能(電子伏)。
由量子力學可以知道，中子波長越長，中子引起的核反應幾率就越大。
X射線穿過物質時，X射線是與物質內原子的電子云相互作用，因此，它的衰減取決于電子云的電荷密度，而且隨樣品原子序數的增大而增加；不像X射線，中子是與原子核作用，總的中子截面與核的性質有關，不同元素甚至同位素之間也有很大的差別。
轟擊靶核的中子并不與核內所有粒子相互作用，而只與一部分最靠近的粒子作用。因此，所有原子核的核子結合能差不多相同。中子與復雜核的相互作用勢和中子與單個核子的相互作用勢處于相同的數量級。
中子與原子核的作用有多種形式，包括彈性散射、非彈性散射、放出帶電粒子的反應、核裂變以及輻射俘獲等。
由于中子在物質中不能直接引起原子的電離，因此，只能依據中子與原子核的強相互作用來探測，不同能量的中子有不同的核過程，因而也就有不同的探測方法，主要有反沖核法(適于快中子)、核反應法(主要用于慢中子)、核裂變法和活化法。
中子成像的探測方法主要有膠片法和CCD等，無論哪種都需要和轉換屏一起使用。這是因為膠片等這些探測器對中子的直接探測效率非常低，需要間接探測。轉換屏的作用就是使中子與其相互作用后產生α、β或γ以及可見光等次級輻射，膠片等探測器就是記錄它們的強度。因此，轉換屏的效率和質量直接影響著中子成像的結果。
根據轉換屏中轉換物質與中子相互作用后的產物特性，轉換屏可分為兩類瞬態(tài)屏和活化屏。瞬態(tài)屏是指直接曝光法中使用的中子成像轉換屏，如6LiF-ZnS(Ag)、有機塑料+Gd2O2S、Gd等，它在中子成像過程中發(fā)出的次級輻射以及對像的形成是在瞬間完成的。而活化屏則是間接曝光法中使用的轉換屏，如In銦、Dy鏑等，它在中子照射下形成有一定壽命的放射性核，在轉換屏上建立子核的潛像后，再將轉換屏與膠片緊貼在一起，使轉換屏子核的衰變輻射在膠片上形成圖像。
中子成像是在X射線成像的基礎上發(fā)展起來的，但是中子成像某些方面要比X射線成像更有優(yōu)勢，可以解決X射線成像難以解決的一些問題。所以，一般認為它是X射線成像的很好的輔助手段。例如，中子與X射線跟物質相互作用的一個明顯差別，反映在各種元素的質量吸收系數上。氫的熱中子質量吸收系數很大，而一些重元素的中子質量吸收系數卻很小，于是對于檢查有含氫物質和重金屬所組成的物體中子成像特別有效。比如對槍彈進行中子成像檢查，不僅能透過金屬外殼顯示里面裝載的炸藥，而且能觀察到炸藥密度是否均勻、有無空隙等。對于含氫和塑料與金屬組合而成的結構復雜的物體，采用中子和X射線成像，并進行比較，能對物體內部結構獲得更正確的了解。有些原子序數鄰近的元素或同一元素的不同同位素，往往中子質量吸收系數相差很遠，因此利用中子成像就很容易將它們區(qū)分開來。在生物學和醫(yī)學上，可以用中子成像來檢查骨膜的膠質和癌細胞，檢查牙髓，進行病理學研究等。
或許是在X射線相襯成像技術的啟迪下，澳大利亞和歐洲的一個聯合小組，發(fā)展了一種同軸相襯成像方法，他們采用冷中子，相應的de Brogile波長為0.433nm，成功觀察到黃蜂的腿關節(jié)和翅膀的某些細節(jié)。
我們知道，無論是光波或者物質波，當通過物體時，要產生散射和吸收，在離樣品適當距離將獲得清晰的樣品吸收襯度像，這是常規(guī)顯微和層析的成像基礎。
從X射線學中我們已經知道X射線的折射率nx＝1-δ，δ＝r0λ2NatF/2π，式中，λ為X射線波長，r0為經典電子半徑，Nat為單位體積內原子數密度，f為原子散射因子。從中子學可知，中子的折射率具有和X射線相同的形式，nn＝1-λn2N(b±p)/2π，式中，N也是單位體積內的質子數，λ是中子波長，b是原子核散射系數，p是由于電子自旋引起的磁散射系數。從上面可以看出，折射率n兩種形式幾乎一致，對于同樣的波長，中子δ(λn2N(b±p)/2π)比X射線的δ值小一個量級。盡管1-δ和1的差值只有10-6，但當使用非常小的λ值時，即使是不太大的厚度或密度的變化，也可能產生相當大的位相畸變。如果采用相干光或部分相干光通過物體時，除了吸收以外，還要產生位相變化，即發(fā)生波面的畸變。這種波面畸變導致部分波面的傳播方向發(fā)生變化，使波面重疊而形成干涉，這樣，位相變化轉化成強度變化，這是相襯成像的物理基礎，也是相襯層析的物理基礎，更為重要的是，這種圖像不經任何重構，可直接獲得位相變化圖像，這是相襯和全息的根本區(qū)別。
2000年，B.E.Allman等人完成了一個中子相襯的實驗，實驗裝置如圖1所示。從中子源發(fā)出的中子束1經針孔以后，變成一個球面波入射到樣品3上，在距樣品3的1.8米處，放置一探測器5，就可以獲得樣品3的位相襯度成像[參見在先技術B.E.Allman等Nature 2000，408，158]。
這個裝置的最大缺點是由于各種散射波以及透射波的干擾，嚴重影響中子相襯成像的襯度及分辨率。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是針對上述在先技術所存在的缺點，提供一種中子衍射增強成像裝置，以消除中子和核相互作用時所產生的散射噪音以及直接透過的中子干擾，提高中子相襯成像的襯度及分辨率。
本發(fā)明的技術解決方案如下一種中子衍射增強成像裝置，包含準直的中子束和探測器，其特征是在所述準直的中子束的前進方向設有單色器，該單色器與中子束成掠入射角θ，與該單色器平行地放置一分析器，該分析器所衍射的中子束方向是所述的探測器，在該探測器所轉換的可見光光軸上成45°地放置一鋁反射鏡，在該鋁反射鏡的反射光路上有CCD相機，該CCD相機的輸出端接一顯示器，所述的探測器、鋁反射鏡和CCD相機被密閉地裝在一暗箱中。
本發(fā)明的工作過程如下將待測樣品放在單色器和分析器之間，被導管準直后的中子束入射到單色器上，單色化以后，入射到放置在中子束前進方向的待測樣品上，從待測樣品出射的中子束進入到與單色器相互平行放置的分析器上，被分析器衍射的中子束進入到探測器中并轉換成可見光，在與光軸成45°的方向上，設置一鋁反射鏡。該鋁反射鏡的作用是將可見光轉變90°，并射向CCD接收器，從顯示器上讀出信號。
所說的中子源是從裂變反應堆中子源輻射并經準直器出射的中子。該裂變反應堆中子源是把鈾和钚等裂變材料作燃料，而以中子為媒介，維持可控鏈式裂變反應的裝置，稱為裂變反應堆，這種裝置可獲得高通量的中子輻射，可達1013～1020中子數/秒，可以長期運行，并由一個具有矩形或圓形截面的鋼盒或鋼筒準直，從準直器中出射的中子，其發(fā)散度等于孔徑和長度的比值，顯然只要縮小孔徑，增加長度可以大大改善發(fā)散度，獲得準平行中子束。
所說的單色器是一塊單晶鋁或銅，準平行入射的中子束和單色器成掠入射角θ時，產生布拉格反射，產生一單色中子束。
所說的樣品是一個待測的對中子透射的材料。
所說的分析器是一塊和單色器同樣材料的單晶鋁或銅單晶，其作用相當于一個寬帶濾波器，它能濾去中子和樣品相互作用時所產生的各種散射。
所說的探測器是一個中子閃爍體，為ZnS(Ag)-LiF。由于中子在物質中不能直接引起原子的電離，沒有電流輸出，所以本發(fā)明中采用ZnS(Ag)-LiF。樣品中產生的衍射中子束，垂直入射到閃爍體的屏上，每一個中子產生級聯可見光子。
所說的鋁反射鏡用來把閃爍體產生的可見光反射到接收器CCD相機上，CCD相機為商業(yè)用CCD。
所說的顯示器是用來將CCD接收到的信號顯示出來。
所說的暗箱是用來屏蔽外界雜散光。
本發(fā)明的技術效果如下本發(fā)明的中子衍射增強成像裝置，采用了一個單色器將中子進行色散，當準平行的中子束照射到待測樣品上時，中子束中攜帶有樣品信息，同時也產生散射，這種散射波與衍射波混在一起，如果采取類同軸全息相襯成像方法的話，勢必信噪比低，因此本發(fā)明是在樣品后又放置一個分析器，這個分析器與單色器平行。分析器的作用是將散射波濾掉，因此在接收器上接收到的僅是樣品位相信息，從而保證高的信噪比、高的襯度和高的分辨率。與在先技術相比本發(fā)明的中子衍射增強成像裝置及方法，由于采用了一個分析器，可以濾去中子的散射波與透射波，可以提高信噪比、襯度和分辨率。


圖1為在先技術中中子相襯成像裝置示意圖。
圖2為本發(fā)明的中子衍射增強成像裝置示意圖。
具體實施例方式
請參閱圖2，圖2是本發(fā)明的中子衍射增強成像裝置示意圖，如圖2所示，本發(fā)明的中子衍射增強成像裝置由9部分組成在準直的中子束1的前進方向設有單色器2，該單色器2與中子束1成掠入射角θ，與該單色器2平行地放置分析器4，該分析器4所衍射的中子束方向是所述的探測器5，在該探測器5所轉換的可見光光軸上成45°地放置一鋁反射鏡6，在該鋁反射鏡6的反射光路上有CCD相機7，該CCD相機7的輸出端接一顯示器8，所述的探測器5、鋁反射鏡6和CCD相機7被密閉地裝在一暗箱9中。
所說的準直中子束1是一個裂變反應堆和一個中子準直器，波長為0.4nm。
所說的單色器2是一塊單晶鋁，也可以是單晶銅。
所說的待測樣品3是一個生物樣品，它對中子束是透明的。
所說的分析器4是一塊單晶鋁，也可以是單晶銅，它和單色器的材料完全一樣。
所說的探測器5是一塊閃爍體，材料為ZnS-LiF，市場有售。
所說的鋁反射鏡6是一塊鍍鋁的鏡子。
所說的CCD相機7是一臺市售的對可見光靈敏的電荷耦合器。
所說的顯示器8是用來讀出CCD相機接收到的信號。
所說的暗箱9是用來屏蔽雜散光，避免對CCD干擾。
本發(fā)明的中子衍射增強成像裝置的工作過程是當來自準直的中子束1的中子經單色器2色散以后，照射到待測樣品3中，中子與待測樣品3相互作用以后，部分中子被折射、散射、吸收和透射，照射到分析器4上去，而只有其中被待測樣品3折射的那部分中子含有樣品的信息，并經分析器4衍射到探測器5上去，而其余部分將被濾掉，從而提高信噪比、襯度和分辨率。
這種中子衍射增強成像裝置，在生物醫(yī)學、材料結構、航天航空、宇宙化學、兵器工業(yè)、考古等方面有著廣泛的應用。
權利要求
1.一種中子衍射增強成像裝置，包含中子束源(1)和探測器(5)，其特征是在所述中子束源(1)的準直的中子束設有單色器(2)，該單色器(2)與中子束成掠入射角θ，與該單色器(2)平行地放置分析器(4)，該分析器(4)所衍射的中子束方向是所述的探測器(5)，在該探測器(5)所轉換的可見光光軸上成45°地放置一鋁反射鏡(6)，在該鋁反射鏡(6)的反射光路上有CCD相機(7)，該CCD相機(7)的輸出端接一顯示器(8)，所述的探測器(5)、鋁反射鏡(6)和CCD相機(7)被密閉地裝在一暗箱(9)中。
2.根據權利要求1所述的中子衍射增強成像裝置，其特征在于所述的單色器(2)和分析器(4)都是一塊單晶鋁或單晶銅。
3.根據權利要求1所述的中子衍射增強成像裝置，其特征在于所述的探測器(5)是一個中子閃爍體。
全文摘要
一種中子衍射增強成像裝置，包含準直的中子束和探測器，其特征是在所述準直的中子束的前進方向設有單色器，該單色器與中子束成掠入射角θ，與該單色器平行地放置一分析器，該分析器所衍射的中子束方向是所述的探測器，在該探測器所轉換的可見光光軸上成45°地放置一鋁反射鏡，在該鋁反射鏡的反射光路上有CCD相機，該CCD相機的輸出端接一顯示器，所述的探測器、鋁反射鏡和CCD相機被密閉地裝在一暗箱中。本發(fā)明的優(yōu)點是可以消除中子和核相互作用時所產生的散射噪音以及直接透過的中子干擾，提高中子相襯成像的襯度及分辨率。
文檔編號G01N23/20GK1595125SQ20041002562
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月30日 優(yōu)先權日2004年6月30日
發(fā)明者陳建文, 高鴻奕, 李儒新, 徐至展 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所