束流參數(shù)對熱中子照相質(zhì)量影響的模擬分析

霍合勇 唐 彬 吳 洋 劉 斌

（中國工程物理研究院核物理與化學研究所 綿陽 621900）

建立數(shù)字中子照相裝置前和進行中子照相時，須分析影響照相分辨率、圖像對比度等性能的主要因素[1]，以尋求相應(yīng)技術(shù)手段，獲得高質(zhì)量的中子照相圖像。紹我們對影響中子照相性能的幾個主要因素進行了模擬計算。計算涉及的中子束質(zhì)量主要由中子束準直比、鎘比、散射中子及注量率空間分布等[2]決定，本文將逐一進行分析。

1 中子束準直比與圖像質(zhì)量關(guān)系

準直比(L/D)決定中子照相的幾何不清晰度。樣品厚度一定時，要減小系統(tǒng)的幾何不清晰度，須縮小準直器輸入窗孔徑D，延長準直段[3]。但此舉降低了入口中子注量率φ0和出口中子注量率φ=φ0A/(4πL2)，其中，A為準直器入口面積，L為準直器入口到成像探測器的距離。實驗表明，φ0<105cm–2·s–1時，雖然熒光屏耦合制冷式 CCD 方式成像可由積分結(jié)合圖像處理技術(shù)獲得較好圖像，但本底噪聲影響較大，且難以完全消除，難以定量分析。

用Kobayashi法[4]可精確獲得中子束的準直比。該法采用的L/D器件材料為雙層鋁箔包夾的鎘板，鎘板上鉆有不同直徑的小孔(孔徑為d)，該器件置于距離探測器l處，發(fā)散的中子束入射到該器件上后，在探測器上行成具有一定模糊度的小孔圖像，則通過小孔中心的強度線輪廓不再是銳利的矩形，而變?yōu)樘菪?圖1)。

存在一個臨界孔徑dc，全束都能投射到一個點上，故該點的強度達最大值，強度線輪廓的頂部平臺寬度為0(圖1b)。如d>dc，強度線輪廓為梯形，梯形頂部寬度可達最大值；d

圖1 不同直徑小孔的幾何圖像Fig.1 Geometric imaging of different holes.

我們用軟件包Origin的Lab Talk言語編寫梯形函數(shù)的擬合程序，用梯形函數(shù)模擬穿透直徑為 0.2 cm小孔所得結(jié)果如圖2。計算所得數(shù)據(jù)，可獲得梯形平臺的寬度。

圖2 小孔的強度線輪廓數(shù)據(jù)及梯形函數(shù)擬合曲線Fig.2 Typical hole profile with fitted trapezoid function.

此法可計算不同直徑小孔的強度線輪廓曲線(圖3a)。該輪廓線為對稱圖形，可僅計算其半幅，以節(jié)省計算時間。對這些強度線輪廓數(shù)據(jù)進行梯形函數(shù)擬合獲得的小孔直徑與平臺寬度的關(guān)系見圖3(b)，二者為線性關(guān)系，對該數(shù)據(jù)進行線性擬合，可得dc，以及中子束準直比。

圖3 小孔投影的模擬計算值(a)和孔徑與平臺寬度的線性擬合(b)Fig.3 Simulated projection profile of hole (a) and fit function for the hole widths with thermal neutrons (b).

圖4 不同準直比中子束的中子圖像Fig.4 Neutron radiographs of different collimation ratios.

圖5 不同準直比中子束的銳邊界曲線Fig.5 Sharp edge curves of different collimation ratios.

依據(jù)模擬曲線的擬合結(jié)果，可計算出該角分布的中子束準直比約為 8.7。設(shè)置不同的源參數(shù)(如源的角分布等)，可獲得不同準直比的中子束，模擬仿真不同準直比下的仿真圖像，可定量評估準直比對成像質(zhì)量的影響。圖4為七種準直比下的仿真圖像。用三束不同發(fā)散度的中子進行樣品成像，模擬獲取的銳邊界曲線見圖5。對擬合曲線微分后獲得系統(tǒng)的線擴散函數(shù)LSF(圖6a)，對于各向同性的成像系統(tǒng)即系統(tǒng)的點擴散函數(shù)PSF。系統(tǒng)的PSF傅立葉變換后獲得的中子照相的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)見圖6(b)。調(diào)節(jié)中子束的發(fā)散度來改變中子束的準直比，可分析準直比對熱中子成像質(zhì)量的影響。

2 中子束鎘比與圖像質(zhì)量關(guān)系

鎘比是不包鎘的樣品活度與包鎘的樣品活度之比，鎘比值越大，中子束的熱中子含量越高。在熱中子射線照相中，超熱中子和快中子是干擾射線，因此鎘比越大越好。在中子源一定的情況下，可在孔道內(nèi)添加慢化劑以增大鎘比，但這會降低中子注量率。另外，圖像對比度與物質(zhì)的衰減系數(shù)成正比。一般情況下，物質(zhì)的質(zhì)量衰減系數(shù)隨能量增高而下降，因此在中子射線照相中，應(yīng)遵循在保證穿透力的前提下，能量越低越好。模擬計算了幾種不同鎘比的中子束與2 cm厚鐵樣品作用后的邊界圖像，部分模擬圖像見圖7，其線灰度見圖8。由圖8，圖像的對比度隨中子束鎘比(即熱中子份額)增加，其變化趨勢為先劇增后逐漸變緩。對鐵樣品和熱中子束，鎘比>20后的分辨率變化趨于穩(wěn)定。

圖6 不同準直比中子束導致的LSF(a)與MTF(b)曲線Fig.6 LSF (a) and MTF (b) curves of different collimation ratios.

圖7 不同鎘比中子束的中子圖像Fig.7 Neutron images of different cadmium ratios.

圖8 不同鎘比中子束圖像線灰度(a)和對比度變化(b)Fig.8 Line gray (a) and contrast (b) curves of different cadmium ratios.

3 散射中子與圖像質(zhì)量關(guān)系

分析表明，散射中子所占比例越小，圖像缺陷對比度越高。用MCNP模擬的散射中子與物屏距離的關(guān)系見圖9(模擬樣品厚度為2 cm)，物屏距超過樣品厚度的2倍時，樣品內(nèi)的散射中子對記錄結(jié)果的影響基本可予忽略。由圖10、11，隨著物屏距離增加，由于散射中子份額降低，圖像的對比度與平臺區(qū)域的均勻度逐漸增加，但幾何不清晰度也增加，圖像中樣品邊界灰度銳利度隨著下降。圖像的分辨率基于對比度和幾何清晰度，得尋找合適的物屏距離，使兩者達到折中，獲取質(zhì)量最好的圖像。

4 中子注量率空間分布與圖像質(zhì)量關(guān)系

中子照相中，由于中子源的自身特征及中子傳輸過程中與物質(zhì)作用等多種原因，中子束的空間分布并不均勻。如不均勻性較大，往往會掩蓋掉圖像中的部分甚至全部信息，可加外準直器提高準直比以使中子束的空間分布均勻化。模擬計算了幾種空間分布對中子成像結(jié)果的影響(圖12)。設(shè)在中子束中放置2 cm厚的鐵板樣品，為計算方便，不改變中子源的特征，僅改變樣品位置(物源距離)以調(diào)節(jié)空間分布。中子源為直徑1 cm的均勻面源，源上任意一點小面元的中子發(fā)射方向為 2π立體角內(nèi)各向同性。模擬結(jié)果見圖13、圖14。

圖9 樣品內(nèi)部散射中子隨物屏距離的變化Fig.9 Scattered neutron flux inside the sample as function of the imaging distance.

由模擬計算可以看出，當中子注量率的空間分布不均勻度較大時，圖像中具有明顯的亮斑，無法正確反映出樣品的細節(jié)，因為樣品結(jié)構(gòu)差異導致的對比度變化被中子束的空間部分不均勻給掩蓋了。當拉大成像距離時，中子注量率的空間分布的不均勻度降低，圖像逐漸能夠更為準確地反映樣品的結(jié)構(gòu)信息。

圖10 散射中子對圖像的影響 (樣品厚度2 cm)Fig.10 Influence of scattered neutron on images of a 2-cm thick sample.

圖11 不同物屏距離時線灰度(a)和對比度變化曲線(b) (樣品厚度2 cm)Fig.11 Line gray (a) and contrast (b) curves of different imaging distances (for a sample of 2-cm thickness).

圖12 模擬計算布局示意圖Fig.12 Sketch map of simulation’s layout.

圖13 不同空間分布對圖像的影響 無樣品(上) 有樣品(下)Fig.13 Influence of spatial distribution on images, without(top) and with(bottom) sample.

圖14 不同空間分布的線灰度。(a) 無樣品，(b) 放置樣品Fig.14 Line gray of different spatial distributions without (a) and with sample(b).

5 結(jié)論

綜上所述，中子射線照相圖像質(zhì)量涉及到諸多因素，因此在裝置的設(shè)計過程中，應(yīng)該增加中子傳輸距離，以提高準直比，適當增加物屏距離降低散射中子對圖像干擾的影響，針對不同的樣品采用合適的中子鎘比，在保證穿透性的同時提高圖像的對比度。

1 唐 彬. 核電子學與探測技術(shù), 2004, 24: 387–390 TANG Bin. Nucl Electron Detect Technol, 2004, 24:287–390

2 貊大衛(wèi), 劉以思, 金光宇, 等. 中子照相. 北京: 原子能出版社, 1996. 79–97 MO Dawei, LIU Yisi, JIN Guangyu,et al. Neutron radiography. Beijing: Atomic Energy Press, 1996. 79–97

3 霍合勇, 唐 彬, 吳 洋, 等. 核技術(shù), 2007, 30(4):273–276 HUO Heyong, TANG Bin, WU Yang,et al. Nucl Tech,2007, 30(4): 273–276

4 Kobayashi H, Wakao H. Neutron radiography (3), 1990.889–892