基于可移動緊湊加速器D-T中子源的熱中子層析實驗研究

王 勝，尹 偉，劉 斌，李 航，孫 勇，曹 超，吳 洋， 霍合勇，朱世雷，婁本超，伍春雷，唐 彬

(中國工程物理研究院 核物理與化學研究所，四川 綿陽 621900)

中子照相技術是重要的無損檢測技術之一，可用于含氫材料、同位素和放射性核素檢測等領域[1-3]。根據中子能量不同，中子照相可分為冷中子照相[4]、熱中子照相[5]、超熱中子或共振中子照相[6]和快中子照相[7]等，其中，熱中子照相技術發(fā)展最為成熟。傳統(tǒng)熱中子照相技術大多依托反應堆中子源[8-9]，因為反應堆中子源可提供優(yōu)異的熱中子束流，一般，反應堆熱中子照相成像面注量率可達1×107cm-2·s-1以上，準直比高達幾百，鎘比可達到10以上，能獲得邊界較為清晰的投影圖像，因此反應堆熱中子層析重建質量較為理想。基于加速器中子源的熱中子照相裝置近年來發(fā)展迅速[10-11]，通過慢化快中子獲得品質良好的熱中子，同樣可開展熱中子照相檢測應用。相比反應堆熱中子層析裝置，由于加速器中子源的使用靈活性，加速器熱中子層析裝置具備移動的可能性，且其建造成本相對較低，十分利于市場推廣。

中國工程物理研究院核物理與化學研究所成功研制了基于小型緊湊加速器D-T中子源的可移動中子成像檢測儀，該儀器具有熱/快中子照相檢測能力。儀器利用鎢-聚乙烯慢化體將D-T中子進行慢化后獲得熱中子，通過研制的中子熒光屏-反光鏡-光學鏡頭-CCD相機系統(tǒng)實現成像功能。中子二維投影數字成像分辨率達0.05 mm(膠片成像分辨率0.04 mm)，三維層析重建分辨率達0.2 mm。通過直接引出方式獲得14 MeV中子，采用高能中子熒光屏進行中子收集和轉換，利用類似的光學成像器件實現了快中子分辨率達0.5 mm(膠片成像分辨率0.4 mm)。

為保證成像面的熱中子注量率，設計的熱中子成像裝置中子引出面較大，該裝置成像準直比相對不高(約25)。為獲取熱中子層析檢測結果，本文開展模擬計算，對比采集幅數、成像布局、噪聲等不同條件的重建結果。并基于該儀器，在層析采集幅數為181、單幅圖像成像時間為8 min條件下，針對設計的輕重材料模擬件進行熱中子層析檢測實驗。

1 熱中子照相裝置

熱中子層析實驗基于可移動中子成像檢測儀(圖1)開展，該裝置由加速器中子源、慢化引出結構、成像系統(tǒng)及其后端的數據處理系統(tǒng)組成，具備中子透射照相和層析照相雙重功能。中子源采用高壓倍加器加速氘粒子轟擊氚靶產生14 MeV中子。加速器主體包括高頻離子源、加速管、聚焦組件和氚靶。高頻離子源采用尤班克型的放電結構結合佳奇科夫型的引出結構，束流通過預聚焦結構后被加速到25 keV；加速管采用225 kV高壓加速，匹配設計了聚焦組件，得到靶上氘離子能量為250 keV；中子源總重量小于800 kg；氘離子束流強度可達1.5 mA，束斑尺寸為10 mm，該中子源最高中子產額可達1.7×1011s-1。

圖1 可移動中子成像檢測儀Fig.1 Neutron imaging facility based on mobile compact accelerator

慢化引出結構方面，由于中子源能量較高，匹配設計了慢化體和準直引出結構，經鎢層增殖、鋼-聚乙烯組合慢化后引出熱中子。慢化體表面引出孔直徑為8 cm，引出面與成像屏距離約200 cm，計算準直比約25，熱中子慢化體結構如圖2所示。

a——設計圖；b——效果圖圖2 熱中子慢化體結構Fig.2 Construction of thermal neutron moderator

慢化引出結構參數(按照中子產額1×1011s-1計算)列于表1。

表1 熱中子慢化引出結構參數Table 1 Parameter of thermal neutron moderator

圖3 在線熱中子成像系統(tǒng)Fig.3 Online thermal neutron imaging system

熱中子照相裝置的成像系統(tǒng)(圖3)采用商用200 μm厚度6LiF-ZnS∶Ag(Cu)閃爍屏，面陣探測器采用科學級制冷相機，像素為2 048×2 048，CCD芯片尺寸為27.6 mm×27.6 mm，視場約120 mm×120 mm。其中光學鏡頭組為定制，能提供較大的數值孔徑(1.1左右)和良好的光學傳導效率(90%以上)，實驗時在準直屏蔽體基礎上，在CCD相機靠近束流一端采用30 cm鐵-15 cm聚乙烯-5 cm鉛構成二次屏蔽，進一步降低CCD芯片受直穿、散射中子和γ射線的輻照強度。

2 熱中子層析模擬

2.1 中子層析原理

中子層析檢測原理如圖4所示。通過轉臺旋轉樣品，獲得不同角度的樣品投影，利用多幅投影圖像進行重建獲取樣品三維結構分布[12-13]。常用的重建算法包括濾波反投影、迭代等[14-15]。本文重建算法以最成熟的濾波反投影為主。

圖4 中子層析成像原理Fig.4 Principle of neutron tomography

中子層析檢測與其他射線層析檢測方法類似，同樣通過獲得不同角度下的透射圖像后進行重建。

2.2 數值模擬設計

考慮到該儀器熱中子照相裝置提供的成像面熱中子注量率相對不高，且成像準直較低，為了確定基于該裝置開展熱中子層析檢測的可行性，首先進行了數值模擬計算。需確定的主要參數包括采樣數、單幅圖像采集時間和樣品與探測器距離。采樣數主要影響樣品內結構的重建精度；單幅圖像采集時間主要影響透射圖像的信噪比，進而影響重建后圖像的信噪比；樣品與探測器的距離主要影響透射圖像中樣品的幾何不清晰度擴展情況，進而影響樣品內結構的重建精度。

首先設計了數值模擬計算的模擬件，如圖5所示。為提高成像對比度，模擬件結構設計為采用不同直徑的釓絲和聚乙烯環(huán)、鋁圓柱筒構成。外層為聚乙烯環(huán)，外徑20 mm，內徑16 mm；內部為鋁柱，鋁柱外延纏繞0.2 mm直徑的釓絲，內部則插有11根釓絲，直徑分別為0.6、0.5、0.4、0.3、0.2 mm等。

數值模擬采用MATLAB軟件，利用其既有軟件包，將設定好的模擬件按矩陣形式輸入，設定成像準直比、樣品與探測器的距離、圖像采集間隔、單像素幾何尺寸等參數，并根據投影圖像強度值添加泊松噪聲，獲取近似實際情況的投影圖像后進行重建，重建算法為濾波反投影算法。

圖5 數值模擬結構件設計Fig.5 Design of numerical simulation object

2.3 數值模擬結果

在360°范圍內，采樣數等于360°/采樣角度間隔。針對設計的模擬樣品，利用數值計算方法對比采樣數不同條件下的重建質量，確定采集幅數。模擬結果示于圖6。

圖6 理想投影不同角度間隔重建結果Fig.6 Ideal reconstructed results of different interval angles

圖7 角度間隔2°下不同統(tǒng)計噪聲重建結果Fig.7 Reconstructed results of different statistical noises with interval angle of 2°

從重建結果來看，采樣間隔越小，重建圖像越接近理想圖像；當采樣角度間隔大于3°時，重建結果已出現較嚴重的偽影；對于濾波反投影算法，角度間隔影響首先出現在遠離樣品中心的位置，即角度間隔增大對于偏離中心越遠的點的誤差增大越顯著。如果缺陷設置在樣品中心，雖然角度間隔大時對中心重建影響不大，但樣品中心與轉軸可能不重合。保守考慮，角度間隔選為2°，即采樣數為180。

考慮統(tǒng)計噪聲的影響，漲落的大小與探測器采集的中子總計數有關，在成像面中子注量率一定情況下，即與累積成像時間相關。圖像中像素平均中子計數為A時，則相對統(tǒng)計漲落為A-1/2。在不同統(tǒng)計漲落下模擬透射圖像后進行重建，結果示于圖7?？煽吹剑y(tǒng)計噪聲降低了圖像對比度，對強吸收的釓絲而言，對細節(jié)影響不是很大；相對漲落在8%時重建結果仍可接受，即像素平均中子計數應達160以上。

需說明，針對本文采用的中子熒光屏-光學鏡頭-CCD鏡頭采集系統(tǒng)，每個被探測到的中子轉換為光子，然后被光學系統(tǒng)和CCD收集后形成圖像，圖像灰度值實際受中子-光子轉換、光子出射概率、光子經鏡頭組后被芯片收集過程中的效率、數模轉換系數等因素影響，因此不能直接通過圖像灰度值評估統(tǒng)計噪聲水平。

該裝置雖基本滿足熱中子透射照相檢測需求，但在設計過程中為保證成像面具有相對良好的熱中子注量率，將熱中子慢化后引出面直徑設置為8 cm，在成像距離為200 cm條件下成像準直比相對不高。針對層析樣品，樣品尺寸過大將引起樣品在束流方向上不同位置的幾何不銳度差別較大，引起圖像模擬進而影響重建質量。

在準直比25條件下，不同物中心-屏距離模擬結果示于圖8?？煽吹?，從15 mm開始，重建結果內釓絲影像發(fā)生擴展；各釓絲位置重建結果均較原始圖像發(fā)生擴展；當物中心-屏距離達35 mm時，0.2～0.6 mm釓絲重建尺寸趨于一致，只是強度上存在一定差別，而纏繞在鋁柱外側的釓絲已擴展成很大的亮環(huán)，這可能是由于投影圖像的幾何不銳度增大，用于重建的原始圖像信息失真更為嚴重，導致外圍的釓絲和聚乙烯環(huán)重建結果與真實分布出現了明顯的偏差。因此，成像時物中心-屏距離最好不超過15 mm。

圖8 準直比25條件下不同物中心-屏距離的重建結果Fig.8 Reconstructed results of different distances between object center and scintillator with collimation ratio of 25

3 熱中子層析照相結果

圖9 熱中子照相裝置BPI和SI測試結果Fig.9 Thermal neutron radiography test results of BPI and SI

為首先評估熱中子照相裝置的成像品質，利用ASTM2003標準中的束流純度指示器(BPI)和像指示器(SI)進行投影測試。測試時中子產額為1×1011s-1，采集時間為6 min。獲得的圖像結果(圖9)表明該裝置具備開展熱中子照相的條件。利用活化法測得的鎘比值約為3。

圖10 熱中子層析實驗樣品Fig.10 Object of thermal neutron tomography

根據模擬計算結果，設計并加工了層析測試模擬件(圖10)。測試模擬件由鋁圓柱、聚乙烯圓環(huán)外殼和布置在鋁圓柱內的不同直徑釓絲組成。在中子產額約5×1010s-1、準直比為25、成像時間為8 min條件下得到透射圖像上灰度達1 600。根據實驗時產額，按照成像面中子注量率為1.7×104cm-2·s-1、單像素幾何尺寸為60 μm、中子熒光屏探測效率約50%計算，8 min條件下圖像上像素平均中子計數約為200，即單個被探測中子對應的圖像灰度值約為8。計算得到統(tǒng)計波動約為7%，滿足前文模擬中不超過8%的要求。

利用熱中子照相裝置，按照前文模擬中確定的1周最少采集幅數為180，實驗時按照角度間隔2°共采集181幅透射圖像。對獲得的每個角度投影采用中值濾波去除γ白斑。由于實驗裝置提供的熱中子準直比較低(約25)，因此對重建而言束流分布既不是典型的錐束分布，也不是平行分布。完成投影圖像的預處理后采用商用濾波反投影軟件進行平行束重建，重建過程中利用軟件自帶的轉軸修正方法進行投影圖像的位置信息修正。

a——投影圖像；b——重建斷面圖11 熱中子層析樣品投影圖像及重建斷面Fig.11 Radiography and reconstructed images of thermal neutron tomography

獲得的測試模擬件典型投影圖像和重建結果示于圖11。對獲取的181幅采集圖像進行重建，重建過程中單像素幾何尺寸為0.06 mm，重建圖像信噪比約35。重建結果斷層中可識別不同直徑的釓絲，且0.2 mm直徑釓絲可見。同時可看到，重建圖像中聚乙烯圓環(huán)外殼與鋁圓柱交界面相對而言較模糊，分析認為產生該現象的原因可能有兩個：一是成像幾何不銳度，樣品距離中子轉換屏有一定的距離，加之樣品自身的幾何尺寸，在準直比不高的情況下，得到的投影圖像存在一定的邊界模糊現象，重建后圖像的邊界清晰度降低，該結果與數值模擬結果對應；二是加速器熱中子束流鎘比不高，本裝置測試值約3，鎘上中子在聚乙烯中慢化并在探測器上形成非期望信號，降低了投影圖像的對比度，重建后引起了聚乙烯和鋁界面的模糊。

4 結論

使用D-T高能中子源慢化后開展熱中子層析實驗的工作國內外暫無公開發(fā)表結果，沒有可靠的數據和經驗可供參考。本文通過數值模擬方法，對D-T慢化后熱中子照相裝置開展層析檢測的關鍵參數進行了模擬，確定了熱中子層析檢測的實驗條件。利用該裝置，獲取了低信噪比圖像進行重建，成功在181幅投影圖像條件下得到了重建結果。

基于D-T中子源的熱中子照相成像面熱中子注量率低(約1×104cm-2·s-1)、準直比低(約25)、采樣數少(最小角度間隔2°)、D-T源能譜硬(14 MeV)，導致慢化困難，現階段層析實驗在中子產額約5×1010s-1下進行層析檢測時間較長，且重建的質量相對不高。尚需針對低信噪比、非理想束流分布和稀疏數據重建開展迭代算法對低信噪比投影圖像的重建研究，以進一步提高熱中子層析檢測的質量。