快中子照相細(xì)節(jié)靈敏度初步實(shí)驗(yàn)研究

魯昌兵 許鵬 鮑杰 陳雄軍 任杰 聶陽波 王琦 張奇瑋 王朝輝 阮錫超

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快中子照相細(xì)節(jié)靈敏度初步實(shí)驗(yàn)研究

魯昌兵1,2許鵬2鮑杰1陳雄軍1任杰1聶陽波1王琦1張奇瑋1王朝輝1阮錫超1

1（中國原子能科學(xué)研究院核數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102413）;2（第二炮兵工程大學(xué)核工程系 西安 710025）

為研究快中子照相空間分辨率和反差靈敏度對細(xì)節(jié)靈敏度技術(shù)指標(biāo)的影響，實(shí)驗(yàn)采用控制變量對照方法，加工了相同深度不同孔徑和相同孔徑不同深度的聚乙烯和鉛樣品，得到了不同條件下快中子照相照片，經(jīng)過圖像處理，分析得出細(xì)節(jié)靈敏度受空間分辨率和反差靈敏度綜合影響，當(dāng)孔徑較小時，空間分辨率起主要作用；當(dāng)孔徑較大時反差靈敏度起主要作用，最后給出了細(xì)節(jié)靈敏度的初步參考結(jié)論。

快中子照相，細(xì)節(jié)靈敏度，空間分辨率，反差靈敏度，圖像處理

中子照相與傳統(tǒng)的X、γ射線檢測都是無損射線檢測的重要方法，它們功能互補(bǔ)[1]，且擁有各自的技術(shù)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。中子照相可分為熱中子和快中子照相。熱中子照相技術(shù)比較成熟，目前采用國際上較為公認(rèn)的ASTME545—86無損檢測標(biāo)準(zhǔn)（美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)）[2]。近些年快中子照相技術(shù)也迅速興起。由于快中子穿透能力強(qiáng)，能穿過厘米量級重金屬檢測輕物質(zhì)，目前被各國競相研究。例如日本理化所利用該技術(shù)進(jìn)行地震受損橋梁安全檢測[3?4]，澳大利亞科學(xué)與工程研究學(xué)院(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, CSIRO)利用該技術(shù)進(jìn)行集裝箱檢 測[5?6]，瑞士保羅謝勒研究所(Paul Scherrer Institute, PSI)和德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB)利用該技術(shù)進(jìn)行金屬管中兩相流檢測[7?8]。由于快中子照相目前尚無完整成套的公認(rèn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，只能沿用熱中子照相技術(shù)部分指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。從國內(nèi)外已發(fā)表文獻(xiàn)看，目前快中子照相在空間分辨率方面依然沿用熱中子照相中的KLASENS方法或MTF (Modulation Transfer Function)方法[9?10]。它們在反差靈敏度方面則用同一材料做成厚度不同的階梯形樣品法取代熱中子照相中的像質(zhì)指示器IQI (Image Quality Indicators)法[11?12]。在細(xì)節(jié)靈敏度技術(shù)指標(biāo)方面快中子照相是否適用尚無研究?；诖?，本文在中國原子能科學(xué)研究院物理所600kV高壓倍加器上開展快中子照相細(xì)節(jié)靈敏度技術(shù)指標(biāo)初步實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺介紹

快中子照相系統(tǒng)通常包括三大部分：中子源、準(zhǔn)直器和成像系統(tǒng)。如圖1所示，分別是實(shí)驗(yàn)原理示意圖、準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)圖和成像系統(tǒng)暗箱實(shí)物圖。實(shí)驗(yàn)中快中子照相的中子源部分是由T(d,n)He反應(yīng)產(chǎn)生的能量為14.1MeV快中子，中子產(chǎn)額在2×109n·s?1左右，最高可達(dá)1.5×1011n·s?1。準(zhǔn)直器部分是由鉛、聚乙烯、不銹鋼和紫銅構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，長=147cm，出口處最大直徑=8cm，內(nèi)部最小直徑=5.14cm。系統(tǒng)準(zhǔn)直比約為294；系統(tǒng)固有幾何不銳度g約為0.0029cm；物屏距為2cm。成像系統(tǒng)由轉(zhuǎn)換屏、反光鏡、暗箱和相機(jī)4部分組成。實(shí)驗(yàn)中采用的轉(zhuǎn)換屏是型號為BC400的塑料閃爍體，幾何尺寸為200mm×200mm×10mm，密度為1.032g·cm?3，氫碳比為1.103:1。該轉(zhuǎn)換屏光輸出效率高，與快中子反應(yīng)作用后輸出光譜峰值波長為423nm。用PTB的EFF程序模擬該轉(zhuǎn)換屏對14MeV快中子的探測效率為2.2%。實(shí)驗(yàn)中為避免中子束直射對信號采集系統(tǒng)的損傷，系統(tǒng)采用前反射鏡制作反光鏡，該裝置可將含有樣品信息的光束路線反射90°后，進(jìn)入大孔徑鏡頭。相機(jī)是一款像素值為1024×1024科學(xué)級CCD相機(jī)。為有效降低相機(jī)暗電流噪聲，實(shí)驗(yàn)在電制冷?80°C條件下進(jìn)行信號采集。暗箱設(shè)計保證采集光路不受外來光線影響，整個成像系統(tǒng)部分均安裝在暗箱上。經(jīng)計算有效視場面積為100cm2的塑料閃爍體BC400上至少接受了2.44×108個中子，對應(yīng)每個像素面積0.18mm×0.18mm上中子數(shù)為375。此條件下信噪比大于10，圖像評估可靠，可進(jìn)行圖像分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品設(shè)計

細(xì)節(jié)靈敏度是指照相系統(tǒng)在垂直射線入射方向上所能檢測的最小體積。該指標(biāo)最初作為熱中子照相技術(shù)指標(biāo)，用來衡量照相系統(tǒng)檢測物體最小缺陷的能力。貊大衛(wèi)等編寫的《中子照相》[1]中有詳細(xì)論述。細(xì)節(jié)靈敏度是系統(tǒng)空間分辨率和反差靈敏度的函數(shù)?？臻g分辨率影響檢測缺陷的切面大小。當(dāng)被檢測缺陷垂直于射線方向上的尺寸遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的空間分辨率，在快中子照相系統(tǒng)中認(rèn)為不可檢測出；當(dāng)尺寸與空間分辨率相當(dāng)，則應(yīng)考慮缺陷的深度對圖像對比度的影響。反差靈敏度是指平行于射線入射方向，系統(tǒng)能檢測出的最小厚度差。該指標(biāo)用來衡量能檢測出缺陷的深度尺寸。若缺陷的深度小于系統(tǒng)反差靈敏度，則認(rèn)為不可檢測；若與系統(tǒng)反差靈敏度相當(dāng)，則要考慮曝光度和散射對圖像對比度統(tǒng)計漲落的綜合影響?；诖?，設(shè)計實(shí)驗(yàn)樣品，如圖2所示。利用單一變量法設(shè)計對照實(shí)驗(yàn)：一是同一材料樣品不同孔徑相同深度對照，研究空間分辨率對細(xì)節(jié)靈敏度的影響；二是同一材料樣品相同孔徑不同深度對照，研究反差靈敏度對細(xì)節(jié)靈敏度的影響；三是不同材料相同形狀對照實(shí)驗(yàn)，研究不同物體宏觀截面對細(xì)節(jié)靈敏度影響。經(jīng)前期測試，該快中子成像系統(tǒng)空間分辨率在1mm左右，厚度差在5mm以上時，能進(jìn)行比較有效的區(qū)分。為保證實(shí)驗(yàn)效果，樣品尺寸依據(jù)前期測試結(jié)果設(shè)計，對聚乙烯和鉛兩種樣品分別設(shè)計50mm×70mm×60mm的樣品。樣品從中間開取邊長為5mm、3mm、2mm的方形通孔，利用插入不同長度等孔徑小插條方式控制孔深?？咨罘謩e為10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、60mm，前5組深度是為了對照深度變化影響，后一組60mm全貫穿是作為空白對照。

實(shí)驗(yàn)時將鉛樣品固定在實(shí)驗(yàn)臺上，并用薄膠帶將樣品固定在一起，保證每次實(shí)驗(yàn)樣品位置一致。每次實(shí)驗(yàn)前在樣品通孔中放入相同長度的小插條，啟動加速器，待中子強(qiáng)度穩(wěn)定后，打開相機(jī)快門收集光子，并利用伴隨α粒子測量法，記錄中子產(chǎn)額。記錄中子產(chǎn)額是為估算實(shí)驗(yàn)時每個樣品所受中子照射量，以保證實(shí)驗(yàn)中每張圖片中子強(qiáng)度一樣。該實(shí)驗(yàn)在伴隨α為2300n·s?1和每張照片照射600s下進(jìn)行，過程中嚴(yán)格控制單一變量原則。

2 實(shí)驗(yàn)照片處理與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)照片處理

細(xì)節(jié)靈敏度在圖片上的直觀反映是圖像中感興趣區(qū)域的大小和灰度值不同。對實(shí)驗(yàn)照片進(jìn)行分析前，首先需要對照片進(jìn)行處理，以增強(qiáng)照片的可讀性。數(shù)字圖像處理技術(shù)可以對中子照相照片進(jìn)行處理，降低照片中的噪聲，增強(qiáng)圖片中感興趣區(qū)域的清晰度和圖像可觀性。為提高實(shí)驗(yàn)照片的清晰度，增強(qiáng)對細(xì)小缺陷的鑒別能力，在本實(shí)驗(yàn)中利用Andor Solis for Imaging軟件對照片進(jìn)行處理。首先對實(shí)驗(yàn)原始照片進(jìn)行減暗場處理，如圖3所示。處理前，照片的像素均值約為433.47，暗場（未進(jìn)行中子照射時，相機(jī)在暗箱中曝光600s所得照片）照片像素均值約為297.59。處理后照片像素均值約為135.87，由處理前后照片對比可知減掉暗場中由于相機(jī)自身噪聲和暗箱密封不好引起的本底噪聲后，照片清晰度和可觀性明顯提高。

經(jīng)過暗場處理后還需要對圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，提高圖像對比度和感興趣區(qū)域的視覺效果，實(shí)驗(yàn)采用了色彩增強(qiáng)和算法增強(qiáng)兩種處理手段。處理效果如圖4所示，采用色彩增強(qiáng)是指對照相進(jìn)行著色處理，圖片視覺效果較好。采用算法增強(qiáng)是指將每點(diǎn)像素值平方處理來增強(qiáng)缺陷與周圍對比度的方法，處理后圖片對比度較高，為便于后期相同尺寸不同深度圖片之間像素值對比，后續(xù)分析采用暗場處理加算法增強(qiáng)處理方法。色彩增強(qiáng)法可用于其他視覺效果要求較高的場合。

圖4 色彩增強(qiáng)圖(a)、增強(qiáng)處理前(b)和算法增強(qiáng)圖片(c)

2.2 實(shí)驗(yàn)照片分析

如圖5所示，從圖5中可以看出快中子照相能對聚乙烯不同孔徑、不同深度缺陷有一定識別能力，但清晰度不高。主要是受快中子照相本身探測效率低的影響，同時下一步也考慮提高中子源強(qiáng)和曝光時間來增加清晰度?？傮w來看，當(dāng)聚乙烯深度達(dá)到25mm時，得到的2mm方孔照片開始清晰。當(dāng)深度達(dá)到60mm時，由于受聚乙烯散射因素影響，2mm方孔又開始變模糊。從兩方面對圖像進(jìn)行分析。一是細(xì)節(jié)靈敏度受空間分辨率影響，就每張圖片本身而言，相同材料、厚度和中子強(qiáng)度下，不同孔徑可以看出，小孔邊緣的展寬使圖像模糊，2mm方孔影響最為明顯。當(dāng)尺寸遠(yuǎn)大于空間分辨力時，影響最小，如圖5中5mm方孔。二是反差靈敏度對細(xì)節(jié)靈敏度的影響。為減小空間分辨率的干擾，取5mm方孔進(jìn)行分析，在相同尺寸、材料和中子強(qiáng)度下，隨著孔深的增加5mm方孔逐漸明顯，在孔深15mm時已可以區(qū)分。

根據(jù)聚乙烯圖片顯示，當(dāng)深度為25mm和30mm時，圖像清晰度已可以進(jìn)行對比分析。為研究不同物體宏觀截面對細(xì)節(jié)靈敏度的影響，選取鉛樣品孔深為25mm和30mm兩張圖片與聚乙烯相同厚度下對比分析，如圖6所示。圖6中間和小孔上端沿亮線是由于樣品加工工藝不夠高，導(dǎo)致狹縫未貼合好所致，對照聚乙烯和鉛樣品相同圖像可看出，就聚乙烯和鉛而言，細(xì)節(jié)靈敏度受不同物體宏觀截面影響較小。

圖6 實(shí)驗(yàn)獲得的不同鉛孔深樣品照片圖

3 結(jié)語

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本實(shí)驗(yàn)對細(xì)節(jié)靈敏度研究取得了一定效果。針對特定材料聚乙烯和鉛，得出了兩者在相同中子強(qiáng)度下的不同孔徑、深度照片，研究了細(xì)節(jié)靈敏度隨孔徑和深度大小的變化情況。由于受快中子照相技術(shù)瓶頸和理論研究的限制，本實(shí)驗(yàn)還未能得到清晰照片以對快中子照相進(jìn)行定量分析研究，但通過本實(shí)驗(yàn)也能得出以下初步結(jié)論。細(xì)節(jié)靈敏度受空間分辨率和反差靈敏度綜合影響。當(dāng)孔徑較大時，反差靈敏度起主要作用，反之空間分辨率起主要作用。鑒于細(xì)節(jié)靈敏度定義時沒有確切物理量表征，依據(jù)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示快中子照相時可取邊長和深度分別為空間分辨率和反差靈敏度的兩倍，來表征所能探測的最小缺陷。

致謝 感謝中國原子能科學(xué)研究院周祖英研究員和唐紅慶研究員對本實(shí)驗(yàn)的悉心指導(dǎo)，感謝加速器組提供的優(yōu)質(zhì)中子束流。

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Preliminary experimental research of detail sensitivity in fast neutron radiography

LU Changbing1,2XU Peng2BAO Jie1CHEN Xiongjun1REN Jie1NIE Yangbo1WANG Qi1ZHANG Qiwei1WANG Zhaohui1RUAN Xichao1

1(Key Laboratory of Nuclear Data Measurement and Evaluation Technology, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China);2(Nuclear Engineering Department, Second Artillery Engineering University, Xi'an 710025, China)

Background:Detail sensitivity is an important technical indicator in the fast neutron radiography. Purpose:The spatial resolution and contrast sensitivity have important effects on the fast neutron radiography.Methods:Using the control variable methods, we process the different depth and diameter aperture samples of the polyethylene and Pb. Results: Many fast photographic images are obtained under different conditions.Conclusion:Through digital image processing, the preliminary relationship between the detail sensitivity with spatial resolution and contrast sensitivity were given. When the diameter is small, spatial resolution plays an important role in the detail sensitivity; however, contrast sensitivity plays an important part when the diameter is bigger. At last, a preliminary reference conclusion about detail sensitivity is given.

Fast neutron radiography, Detail sensitivity, Spatial resolution, Contrast sensitivity, Image processing

TL99

TL99

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.080202

瞬發(fā)γ射線法測量中子非彈性截面實(shí)驗(yàn)方法研究(No.11375275)資助

魯昌兵，男，1990年出生，2015年于第二炮兵工程大學(xué)獲碩士學(xué)位，研究領(lǐng)域?yàn)楹税踩c核技術(shù)

許鵬，E-mail: xupeng76345@163.com

2015-02-05，

2015-05-13