热中子层析照相的仿真技术探索研究

　　中子照相技术在检测含氢材料、重金属组件结构、原子序数相近的不同元素、放射性材料等方面弥补了X光等其它无损检测技术的不足,广泛用于重金属组件、火工品等武器部件的质量检测和库存武器可靠性和有效性评估中。国内的层析照相技术研究主要集中在X射线和伽马射线层析照相技术领域,中子(包括热中子、冷中子和高能中子)层析技术研究尚是空白,但在某些检测领域中子层析技术将可能是唯一可行的技术手段。例如:检测金属之间的粘结剂分布,由于氢的X射线和伽马射线质量衰减系数很小,难以实现有效检测,但热中子层析照相技术能给出较好的检测结果(图1是德国利用热中子层析技术进行金属间粘结剂分布状况检测的三维图)。因此中子层析照相技术是X射线和伽马射线层析照相技术的有益补充,可以为某些组件、材料的质量检测服务,开展中子层析照相技术研究是十分必要的。

　　但是由于种种原因,中子层析照相技术实验研究条件不是很具备,且代价高昂,为此,有必要研究一种中子层析照相的理论仿真方法,开展理论仿真研究,以弥补当前中子层析照相技术研究的不利局面。为此,本文根据中子层析照相的基本原理,设计模拟样品,采用MC-NP计算程序获取了样品的热中子照相投影图像或数据,利用C++Builder为开发工具研发中子层析数据获取程序和反投影滤波算法层析重建程序,重建了样品二维断面图像,重建结果表明样品二维断面图像与实际样品一致,证明了研究方法和流程合理可行。为深入探索中子照相中的功率波动校正技术、散射中子抑制技术等中子层析关键技术奠定了基础。本文对此进行了详细分析。

　　1　中子层析照相原理及装置简介

　　根据中子射线照相的基本原理,射线的衰减服从指数规律:

　　则,

　　式中,

　　I0、I—样品入射和出射的中子注量率,cm-1·s-1。

　　μ—样品线性衰减系数,cm-1;

　　x—样品厚度(在CT重建中理解为像素尺寸),cm。

　　每一像素的μx矩阵即中子层析断层的重建输入数据。

　　中子层析照相中一般采用荧光屏耦合CCD方式获取投影数据,其基本结构如图2所示。主要由旋转台及其控制设备、反光镜、热中子荧光屏、光屏蔽盒、CCD及其控制和数据采集计算机以及图像重建计算机构成。

　　其基本工作原理是:中子束穿过样品后投射在中子转换屏上,中子转换屏将中子束的空间分布转换为光学图像,在反光镜的作用下折转90度后(避免CCD直接被中子束流照射),由CCD采集投影图像,调整旋转转台角度,采集下一个投影数据,直到所有角度的投影数据采集完成,即完成数据采集工作。截取每一幅投影图像中相同行或几行的平均值形成重建输入矩阵,经由一定的校正后,实现断面图像重建。