快中子共振成像實驗研究

1、卷增刊第年月原子能科學(xué)技術(shù)，快中子共振成像實驗研究鄒宇斌，唐國有，胥建國，郭利安，張國輝（北京大學(xué)核物理與核技術(shù)國家重點實驗室，北京）摘要：利用兩次成像法對快中子共振成像進(jìn)行研究。分別利用銅、和快中子對石墨、鋁構(gòu)成的樣品進(jìn)行成像，經(jīng)圖像處理后，消除銅和鋁的影像而獲得了碳元素的分布圖像。關(guān)鍵詞：中子照相；元素分辨；快中子共振成像中圖分類號：（）文獻(xiàn)標(biāo)志碼：文章編號： 犈狓犲狉犻犿犲狀狋犪犾犛狋狌犱犳犉犪狊狋犖犲狌狋狉狅狀犚犲狊狅狀犪狀犮犲犚犪犱犻狅狉犪犺狆狔狅犵狆狔， ， ， （犛狋犪狋犲犓犲犪犫狅狉犪狋狅狉狌犮犾犲犪狉犘犺狊犻犮狊牔犜犲犮犺狀狅犾狅犘犲犽犻狀狀犻狏犲狉狊犻狋犅犲犻犻狀，犆犺犻狀

2、犪）狔犔狔狅犳犖狔犵狔，犵犝狔，犼犵：犃犫狊狋狉犪犮狋）（ ， ，：；犓犲狅狉犱狊；狔狑隱藏爆炸物檢查是安全保障的一項重要內(nèi)容。爆炸物無法利用射線進(jìn)行形狀特征識而痕量檢查等間接手段則在可靠性和檢查別，速度上均無法滿足需要。隱藏爆炸物中一般含有大量氮元素，且其氧、氮等元素的比例屬特定范圍，與其他中碳、有機材料中碳、氮、氧的比例有明顯區(qū)別。通各種物品相互混雜分辨能力。在實際檢查中，重疊，只測量較大范圍內(nèi)的平均元素含量比例無法準(zhǔn)確進(jìn)行隱藏爆炸物存在可能性的判別，中子活化法不能很好地解決隱藏爆炸物的檢查?？熘凶庸舱癯上袷且环N可進(jìn)行元素分辨的射線成像技術(shù)，這種技術(shù)可對樣品中特定元素進(jìn)行成像而去除其他元素

3、的干擾。憑借其良好的空間分辨能力和元素識別能力，快中子共振成像有可能解決隱藏爆炸物檢查的技術(shù)難題。快中子共振成像基于快中子照相，早在世紀(jì)而后，有不同的實年代末便被提出，過測量樣品中主要元素比例，可判別隱藏爆炸物存在的可能性。目前，已利用中子活化法對各主要元素含量的測量進(jìn)行隱藏爆炸物的識 別。中子活化法空間分辨率差，甚至無空間收稿日期：修回日期： ； 基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（）作者簡介：鄒宇斌（，男，云南昆明人，講師，博士，核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)） 現(xiàn)方式對其進(jìn)行了實驗研究。這種技術(shù)需原子能科學(xué)技術(shù)第卷實驗快中子共振成像需利用不同能量中子多次進(jìn)行成像，且要求用于成像的中子能準(zhǔn)確且有較小的能

4、散。使用能散過大的中子成像會掩蓋導(dǎo)致無法進(jìn)行元素區(qū)分。北京共振峰的差異，大學(xué)靜電加速器可方便地調(diào)節(jié)加速粒配合不同的中子靶獲得不同能量的子的能量，中子，滿足快中子共振成像對中子能量的需求。本實驗利用該加速器加速氘核轟擊氘氣體靶，獲得小能散快中子用于成像。氣體靶腔體長用，厚鉬窗與加速器真空環(huán)境隔離，內(nèi)充×氘氣。利用能量為和獲得平均能量的氘核轟擊氘氣體靶，為和的快中子。為獲得較小的中子能散（小于，使用的氘氣體靶有）效厚度較小，獲得的中子產(chǎn)額較低，僅為。·成像利用套基于相機的數(shù)字化中較高通量的單能中子源和高線性度的快中子成像裝置，實驗研究仍存在較多困難。本工作擬采用不同的技術(shù)路線進(jìn)

5、行快中子共振成像實驗研究?？熘凶庸舱癯上裨砜熘凶庸舱癯上袷且惶厥獾目熘凶诱障嗉夹g(shù)。原子核對共振能量的快中子有較大的反應(yīng)截面，而不同核素具有不同的共振能量。使用不同能量的快中子對同一樣品進(jìn)行成像，不同材料的影像灰度的變化不同，利用這些差別可進(jìn)行元素識別。對于個含有、在某兩種元素的樣品，處兩元素的有效厚度分別為狓和狓。利用不同能量的中子進(jìn)行兩次成像，獲得的兩幅圖像相對應(yīng)的像素強度可表示為：（犐狓狓）犐（犐狓狓）犐（）（）子成像系統(tǒng)，其中包括快中子閃爍屏、光學(xué)耦合系統(tǒng)和制冷型相機。為降低中子在環(huán)境閃爍屏未使用一般快中激發(fā)的射線的干擾，中子照相中常用的塑料閃爍屏，而采用自制的（）閃爍屏。樣品用石墨、

6、鋁和銅制成，不同材料樣品交錯或重疊放置（圖）。式中：對入射、分別為元素、能量分別為犈、犈的中子的衰減系數(shù)。選擇特定的能量，使得，。兩次獲獲得兩圖像之商：得的圖像逐點相除，犻狓（狓（）（）狓（）此圖像與狓兩圖的商形成一新的圖像，無關(guān)，僅與元素的分布有關(guān)，即為元素的分布圖像。在隱藏爆炸物檢查中，需對氫、碳、氮和氧元素進(jìn)行定量測量，并消除其他元素的干擾。此時，可將所關(guān)注元素之外的所有元素視為一利用不多的幾個能點識別關(guān)鍵兩種等效元素，元素的比例，從而判斷所含材料的類別。結(jié)果與討論分別利用能量為和的快中子對上述樣品成像，獲得快中子相片（圖）。由圖可看到，兩幅圖像均能清晰顯示樣品輪但不同材料樣品的圖像混雜

7、在一起，無法區(qū)廓，分。圖很難看出和中左半部分非常相似，明顯區(qū)別；右半部分可看到石墨的影像在圖圖樣品示意圖（）及照片（）（圖不同能量的快中子照片非共振能量；共振能量中較鋁塊的亮，而在圖中則暗于鋁的，這體現(xiàn)了石墨對非共振和共振中子的衰減系數(shù)的差這是閃爍屏的接縫別。圖中有縱向黑色條紋，處對中子響應(yīng)較低造成的偽影。圖中和兩圖相除，獲得圖。由圖可觀測到，圖像左半部分的半圓和右半部分圖像外側(cè)被完全消除，被消除的部分是銅和鋁的影像；余下部分為石墨塊的圖像，且影像的亮度隨石墨厚度變暗。這幅圖像能夠完全消除碳元素外其他元素的干擾，反映了碳元素的分布。圖像亮度的對數(shù)與石墨塊厚度偏離了線性關(guān)原因是實驗中存在較多的散射中子，在整幅系，圖像中產(chǎn)生了個均勻的本底。在碳元素的分布圖像中，已看不到閃爍屏接縫引起的偽影，因接縫處較低的快中子響應(yīng)在兩次成像中保持一致，而最終的圖像反映了兩次成像的差異。作為同一等效元素統(tǒng)一處理，本實驗的結(jié)果證實了這種方法的可行性?？熘凶庸舱癯上窬哂羞`禁品識別的潛力，但還存在諸多技術(shù)困難。單能快中子源強度普而對位置靈敏度，快中子探測效率低，遍較弱，同時探測器需具有對較低的靈敏度。這些