基于可移动紧凑加速器D-T中子源的热中子层析实验研究

王 胜，尹 伟，刘 斌，李 航，孙 勇，曹 超，吴 洋， 霍合勇，朱世雷，娄本超，伍春雷，唐 彬

(中国工程物理研究院 核物理与化学研究所，四川 绵阳 621900)

中子照相技术是重要的无损检测技术之一，可用于含氢材料、同位素和放射性核素检测等领域[1-3]。根据中子能量不同，中子照相可分为冷中子照相[4]、热中子照相[5]、超热中子或共振中子照相[6]和快中子照相[7]等，其中，热中子照相技术发展最为成熟。传统热中子照相技术大多依托反应堆中子源[8-9]，因为反应堆中子源可提供优异的热中子束流，一般，反应堆热中子照相成像面注量率可达1×107cm-2·s-1以上，准直比高达几百，镉比可达到10以上，能获得边界较为清晰的投影图像，因此反应堆热中子层析重建质量较为理想。基于加速器中子源的热中子照相装置近年来发展迅速[10-11]，通过慢化快中子获得品质良好的热中子，同样可开展热中子照相检测应用。相比反应堆热中子层析装置，由于加速器中子源的使用灵活性，加速器热中子层析装置具备移动的可能性，且其建造成本相对较低，十分利于市场推广。

中国工程物理研究院核物理与化学研究所成功研制了基于小型紧凑加速器D-T中子源的可移动中子成像检测仪，该仪器具有热/快中子照相检测能力。仪器利用钨-聚乙烯慢化体将D-T中子进行慢化后获得热中子，通过研制的中子荧光屏-反光镜-光学镜头-CCD相机系统实现成像功能。中子二维投影数字成像分辨率达0.05 mm(胶片成像分辨率0.04 mm)，三维层析重建分辨率达0.2 mm。通过直接引出方式获得14 MeV中子，采用高能中子荧光屏进行中子收集和转换，利用类似的光学成像器件实现了快中子分辨率达0.5 mm(胶片成像分辨率0.4 mm)。

为保证成像面的热中子注量率，设计的热中子成像装置中子引出面较大，该装置成像准直比相对不高(约25)。为获取热中子层析检测结果，本文开展模拟计算，对比采集幅数、成像布局、噪声等不同条件的重建结果。并基于该仪器，在层析采集幅数为181、单幅图像成像时间为8 min条件下，针对设计的轻重材料模拟件进行热中子层析检测实验。

1 热中子照相装置

热中子层析实验基于可移动中子成像检测仪(图1)开展，该装置由加速器中子源、慢化引出结构、成像系统及其后端的数据处理系统组成，具备中子透射照相和层析照相双重功能。中子源采用高压倍加器加速氘粒子轰击氚靶产生14 MeV中子。加速器主体包括高频离子源、加速管、聚焦组件和氚靶。高频离子源采用尤班克型的放电结构结合佳奇科夫型的引出结构，束流通过预聚焦结构后被加速到25 keV；加速管采用225 kV高压加速，匹配设计了聚焦组件，得到靶上氘离子能量为250 keV；中子源总重量小于800 kg；氘离子束流强度可达1.5 mA，束斑尺寸为10 mm，该中子源最高中子产额可达1.7×1011s-1。

图1 可移动中子成像检测仪Fig.1 Neutron imaging facility based on mobile compact accelerator

慢化引出结构方面，由于中子源能量较高，匹配设计了慢化体和准直引出结构，经钨层增殖、钢-聚乙烯组合慢化后引出热中子。慢化体表面引出孔直径为8 cm，引出面与成像屏距离约200 cm，计算准直比约25，热中子慢化体结构如图2所示。

a——设计图；b——效果图图2 热中子慢化体结构Fig.2 Construction of thermal neutron moderator

慢化引出结构参数(按照中子产额1×1011s-1计算)列于表1。

表1 热中子慢化引出结构参数Table 1 Parameter of thermal neutron moderator

图3 在线热中子成像系统Fig.3 Online thermal neutron imaging system

热中子照相装置的成像系统(图3)采用商用200 μm厚度6LiF-ZnS∶Ag(Cu)闪烁屏，面阵探测器采用科学级制冷相机，像素为2 048×2 048，CCD芯片尺寸为27.6 mm×27.6 mm，视场约120 mm×120 mm。其中光学镜头组为定制，能提供较大的数值孔径(1.1左右)和良好的光学传导效率(90%以上)，实验时在准直屏蔽体基础上，在CCD相机靠近束流一端采用30 cm铁-15 cm聚乙烯-5 cm铅构成二次屏蔽，进一步降低CCD芯片受直穿、散射中子和γ射线的辐照强度。

2 热中子层析模拟

2.1 中子层析原理

中子层析检测原理如图4所示。通过转台旋转样品，获得不同角度的样品投影，利用多幅投影图像进行重建获取样品三维结构分布[12-13]。常用的重建算法包括滤波反投影、迭代等[14-15]。本文重建算法以最成熟的滤波反投影为主。

图4 中子层析成像原理Fig.4 Principle of neutron tomography

中子层析检测与其他射线层析检测方法类似，同样通过获得不同角度下的透射图像后进行重建。

2.2 数值模拟设计

考虑到该仪器热中子照相装置提供的成像面热中子注量率相对不高，且成像准直较低，为了确定基于该装置开展热中子层析检测的可行性，首先进行了数值模拟计算。需确定的主要参数包括采样数、单幅图像采集时间和样品与探测器距离。采样数主要影响样品内结构的重建精度；单幅图像采集时间主要影响透射图像的信噪比，进而影响重建后图像的信噪比；样品与探测器的距离主要影响透射图像中样品的几何不清晰度扩展情况，进而影响样品内结构的重建精度。

首先设计了数值模拟计算的模拟件，如图5所示。为提高成像对比度，模拟件结构设计为采用不同直径的钆丝和聚乙烯环、铝圆柱筒构成。外层为聚乙烯环，外径20 mm，内径16 mm；内部为铝柱，铝柱外延缠绕0.2 mm直径的钆丝，内部则插有11根钆丝，直径分别为0.6、0.5、0.4、0.3、0.2 mm等。

数值模拟采用MATLAB软件，利用其既有软件包，将设定好的模拟件按矩阵形式输入，设定成像准直比、样品与探测器的距离、图像采集间隔、单像素几何尺寸等参数，并根据投影图像强度值添加泊松噪声，获取近似实际情况的投影图像后进行重建，重建算法为滤波反投影算法。

图5 数值模拟结构件设计Fig.5 Design of numerical simulation object

2.3 数值模拟结果

在360°范围内，采样数等于360°/采样角度间隔。针对设计的模拟样品，利用数值计算方法对比采样数不同条件下的重建质量，确定采集幅数。模拟结果示于图6。

图6 理想投影不同角度间隔重建结果Fig.6 Ideal reconstructed results of different interval angles

图7 角度间隔2°下不同统计噪声重建结果Fig.7 Reconstructed results of different statistical noises with interval angle of 2°

从重建结果来看，采样间隔越小，重建图像越接近理想图像；当采样角度间隔大于3°时，重建结果已出现较严重的伪影；对于滤波反投影算法，角度间隔影响首先出现在远离样品中心的位置，即角度间隔增大对于偏离中心越远的点的误差增大越显著。如果缺陷设置在样品中心，虽然角度间隔大时对中心重建影响不大，但样品中心与转轴可能不重合。保守考虑，角度间隔选为2°，即采样数为180。

考虑统计噪声的影响，涨落的大小与探测器采集的中子总计数有关，在成像面中子注量率一定情况下，即与累积成像时间相关。图像中像素平均中子计数为A时，则相对统计涨落为A-1/2。在不同统计涨落下模拟透射图像后进行重建，结果示于图7。可看到，统计噪声降低了图像对比度，对强吸收的钆丝而言，对细节影响不是很大；相对涨落在8%时重建结果仍可接受，即像素平均中子计数应达160以上。

需说明，针对本文采用的中子荧光屏-光学镜头-CCD镜头采集系统，每个被探测到的中子转换为光子，然后被光学系统和CCD收集后形成图像，图像灰度值实际受中子-光子转换、光子出射概率、光子经镜头组后被芯片收集过程中的效率、数模转换系数等因素影响，因此不能直接通过图像灰度值评估统计噪声水平。

该装置虽基本满足热中子透射照相检测需求，但在设计过程中为保证成像面具有相对良好的热中子注量率，将热中子慢化后引出面直径设置为8 cm，在成像距离为200 cm条件下成像准直比相对不高。针对层析样品，样品尺寸过大将引起样品在束流方向上不同位置的几何不锐度差别较大，引起图像模拟进而影响重建质量。

在准直比25条件下，不同物中心-屏距离模拟结果示于图8。可看到，从15 mm开始，重建结果内钆丝影像发生扩展；各钆丝位置重建结果均较原始图像发生扩展；当物中心-屏距离达35 mm时，0.2～0.6 mm钆丝重建尺寸趋于一致，只是强度上存在一定差别，而缠绕在铝柱外侧的钆丝已扩展成很大的亮环，这可能是由于投影图像的几何不锐度增大，用于重建的原始图像信息失真更为严重，导致外围的钆丝和聚乙烯环重建结果与真实分布出现了明显的偏差。因此，成像时物中心-屏距离最好不超过15 mm。

图8 准直比25条件下不同物中心-屏距离的重建结果Fig.8 Reconstructed results of different distances between object center and scintillator with collimation ratio of 25

3 热中子层析照相结果

图9 热中子照相装置BPI和SI测试结果Fig.9 Thermal neutron radiography test results of BPI and SI

为首先评估热中子照相装置的成像品质，利用ASTM2003标准中的束流纯度指示器(BPI)和像指示器(SI)进行投影测试。测试时中子产额为1×1011s-1，采集时间为6 min。获得的图像结果(图9)表明该装置具备开展热中子照相的条件。利用活化法测得的镉比值约为3。

图10 热中子层析实验样品Fig.10 Object of thermal neutron tomography

根据模拟计算结果，设计并加工了层析测试模拟件(图10)。测试模拟件由铝圆柱、聚乙烯圆环外壳和布置在铝圆柱内的不同直径钆丝组成。在中子产额约5×1010s-1、准直比为25、成像时间为8 min条件下得到透射图像上灰度达1 600。根据实验时产额，按照成像面中子注量率为1.7×104cm-2·s-1、单像素几何尺寸为60 μm、中子荧光屏探测效率约50%计算，8 min条件下图像上像素平均中子计数约为200，即单个被探测中子对应的图像灰度值约为8。计算得到统计波动约为7%，满足前文模拟中不超过8%的要求。

利用热中子照相装置，按照前文模拟中确定的1周最少采集幅数为180，实验时按照角度间隔2°共采集181幅透射图像。对获得的每个角度投影采用中值滤波去除γ白斑。由于实验装置提供的热中子准直比较低(约25)，因此对重建而言束流分布既不是典型的锥束分布，也不是平行分布。完成投影图像的预处理后采用商用滤波反投影软件进行平行束重建，重建过程中利用软件自带的转轴修正方法进行投影图像的位置信息修正。

a——投影图像；b——重建断面图11 热中子层析样品投影图像及重建断面Fig.11 Radiography and reconstructed images of thermal neutron tomography

获得的测试模拟件典型投影图像和重建结果示于图11。对获取的181幅采集图像进行重建，重建过程中单像素几何尺寸为0.06 mm，重建图像信噪比约35。重建结果断层中可识别不同直径的钆丝，且0.2 mm直径钆丝可见。同时可看到，重建图像中聚乙烯圆环外壳与铝圆柱交界面相对而言较模糊，分析认为产生该现象的原因可能有两个：一是成像几何不锐度，样品距离中子转换屏有一定的距离，加之样品自身的几何尺寸，在准直比不高的情况下，得到的投影图像存在一定的边界模糊现象，重建后图像的边界清晰度降低，该结果与数值模拟结果对应；二是加速器热中子束流镉比不高，本装置测试值约3，镉上中子在聚乙烯中慢化并在探测器上形成非期望信号，降低了投影图像的对比度，重建后引起了聚乙烯和铝界面的模糊。

4 结论

使用D-T高能中子源慢化后开展热中子层析实验的工作国内外暂无公开发表结果，没有可靠的数据和经验可供参考。本文通过数值模拟方法，对D-T慢化后热中子照相装置开展层析检测的关键参数进行了模拟，确定了热中子层析检测的实验条件。利用该装置，获取了低信噪比图像进行重建，成功在181幅投影图像条件下得到了重建结果。

基于D-T中子源的热中子照相成像面热中子注量率低(约1×104cm-2·s-1)、准直比低(约25)、采样数少(最小角度间隔2°)、D-T源能谱硬(14 MeV)，导致慢化困难，现阶段层析实验在中子产额约5×1010s-1下进行层析检测时间较长，且重建的质量相对不高。尚需针对低信噪比、非理想束流分布和稀疏数据重建开展迭代算法对低信噪比投影图像的重建研究，以进一步提高热中子层析检测的质量。