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(xué)研究所，四川 綿陽 621900)

中子照相技術(shù)是重要的無損檢測(cè)技術(shù)之一，可用于含氫材料、同位素和放射性核素檢測(cè)等領(lǐng)域[1-3]。根據(jù)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(shù)發(fā)展最為成熟。傳統(tǒng)熱中子照相技術(shù)大多依托反應(yīng)堆中子源[8-9]，因?yàn)榉磻?yīng)堆中子源可提供優(yōu)異的熱中子束流，一般，反應(yīng)堆熱中子照相成像面注量率可達(dá)1×107cm-2·s-1以上，準(zhǔn)直比高達(dá)幾百，鎘比可達(dá)到10以上，能獲得邊界較為清晰的投影圖像，因此反應(yīng)堆熱中子層析重建質(zhì)量較為理想?；诩铀倨髦凶釉吹臒嶂凶诱障嘌b置近年來發(fā)展迅速[10-11]，通過慢化快中子獲得品質(zhì)良好的熱中子，同樣可開展熱中子照相檢測(cè)應(yīng)用。相比反應(yīng)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(dòng)的可能性，且其建造成本相對(duì)較低，十分利于市場(chǎng)推廣。

中國工程物理研究院核物理與化學(xué)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(dòng)中子成像檢測(cè)儀，該儀器具有熱/快中子照相檢測(cè)能力。儀器利用鎢-聚乙烯慢化體將D-T中子進(jìn)行慢化后獲得熱中子，通過研制的中子熒光屏-反光鏡-光學(xué)鏡頭-CCD相機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成像功能。中子二維投影數(shù)字成像分辨率達(dá)0.05 mm(膠片成像分辨率0.04 mm)，三維層析重建分辨率達(dá)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(jìn)行中子收集和轉(zhuǎn)換，利用類似的光學(xué)成像器件實(shí)現(xiàn)了快中子分辨率達(dá)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(shè)計(jì)的熱中子成像裝置中子引出面較大，該裝置成像準(zhǔn)直比相對(duì)不高(約25)。為獲取熱中子層析檢測(cè)結(jié)果，本文開展模擬計(jì)算，對(duì)比采集幅數(shù)、成像布局、噪聲等不同條件的重建結(jié)果。并基于該儀器，在層析采集幅數(shù)為181、單幅圖像成像時(shí)間為8 min條件下，針對(duì)設(shè)計(jì)的輕重材料模擬件進(jìn)行熱中子層析檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

1 熱中子照相裝置

熱中子層析實(shí)驗(yàn)基于可移動(dòng)中子成像檢測(cè)儀(圖1)開展，該裝置由加速器中子源、慢化引出結(jié)構(gòu)、成像系統(tǒng)及其后端的數(shù)據(jù)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(chǎn)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(jié)構(gòu)結(jié)合佳奇科夫型的引出結(jié)構(gòu)，束流通過預(yù)聚焦結(jié)構(gòu)后被加速到25 keV；加速管采用225 kV高壓加速，匹配設(shè)計(jì)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(qiáng)度可達(dá)1.5 mA，束斑尺寸為10 mm，該中子源最高中子產(chǎn)額可達(dá)1.7×1011s-1。

圖1 可移動(dòng)中子成像檢測(cè)儀Fig.1 Neutron imaging facility based on mobile compact accelerator

慢化引出結(jié)構(gòu)方面，由于中子源能量較高，匹配設(shè)計(jì)了慢化體和準(zhǔn)直引出結(jié)構(gòu)，經(jīng)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(jì)算準(zhǔn)直比約25，熱中子慢化體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

a——設(shè)計(jì)圖；b——效果圖圖2 熱中子慢化體結(jié)構(gòu)Fig.2 Construction of thermal neutron moderator

慢化引出結(jié)構(gòu)參數(shù)(按照中子產(chǎn)額1×1011s-1計(jì)算)列于表1。

表1 熱中子慢化引出結(jié)構(gòu)參數(shù)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(cè)器采用科學(xué)級(jí)制冷相機(jī)，像素為2 048×2 048，CCD芯片尺寸為27.6 mm×27.6 mm，視場(chǎng)約120 mm×120 mm。其中光學(xué)鏡頭組為定制，能提供較大的數(shù)值孔徑(1.1左右)和良好的光學(xué)傳導(dǎo)效率(90%以上)，實(shí)驗(yàn)時(shí)在準(zhǔn)直屏蔽體基礎(chǔ)上，在CCD相機(jī)靠近束流一端采用30 cm鐵-15 cm聚乙烯-5 cm鉛構(gòu)成二次屏蔽，進(jìn)一步降低CCD芯片受直穿、散射中子和γ射線的輻照強(qiáng)度。

2 熱中子層析模擬

2.1 中子層析原理

中子層析檢測(cè)原理如圖4所示。通過轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)樣品，獲得不同角度的樣品投影，利用多幅投影圖像進(jìn)行重建獲取樣品三維結(jié)構(gòu)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(cè)與其他射線層析檢測(cè)方法類似，同樣通過獲得不同角度下的透射圖像后進(jìn)行重建。

2.2 數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

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(duì)不高，且成像準(zhǔn)直較低，為了確定基于該裝置開展熱中子層析檢測(cè)的可行性，首先進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。需確定的主要參數(shù)包括采樣數(shù)、單幅圖像采集時(shí)間和樣品與探測(cè)器距離。采樣數(shù)主要影響樣品內(nèi)結(jié)構(gòu)的重建精度；單幅圖像采集時(shí)間主要影響透射圖像的信噪比，進(jìn)而影響重建后圖像的信噪比；樣品與探測(cè)器的距離主要影響透射圖像中樣品的幾何不清晰度擴(kuò)展情況，進(jìn)而影響樣品內(nèi)結(jié)構(gòu)的重建精度。

首先設(shè)計(jì)了數(shù)值模擬計(jì)算的模擬件，如圖5所示。為提高成像對(duì)比度，模擬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為采用不同直徑的釓絲和聚乙烯環(huán)、鋁圓柱筒構(gòu)成。外層為聚乙烯環(huán)，外徑20 mm，內(nèi)徑16 mm；內(nèi)部為鋁柱，鋁柱外延纏繞0.2 mm直徑的釓絲，內(nèi)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(shù)值模擬采用MATLAB軟件，利用其既有軟件包，將設(shè)定好的模擬件按矩陣形式輸入，設(shè)定成像準(zhǔn)直比、樣品與探測(cè)器的距離、圖像采集間隔、單像素幾何尺寸等參數(shù)，并根據(jù)投影圖像強(qiáng)度值添加泊松噪聲，獲取近似實(shí)際情況的投影圖像后進(jìn)行重建，重建算法為濾波反投影算法。

圖5 數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)Fig.5 Design of numerical simulation object

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

在360°范圍內(nèi)，采樣數(shù)等于360°/采樣角度間隔。針對(duì)設(shè)計(jì)的模擬樣品，利用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)比采樣數(shù)不同條件下的重建質(zhì)量，確定采集幅數(shù)。模擬結(jié)果示于圖6。

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

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

從重建結(jié)果來看，采樣間隔越小，重建圖像越接近理想圖像；當(dāng)采樣角度間隔大于3°時(shí)，重建結(jié)果已出現(xiàn)較嚴(yán)重的偽影；對(duì)于濾波反投影算法，角度間隔影響首先出現(xiàn)在遠(yuǎn)離樣品中心的位置，即角度間隔增大對(duì)于偏離中心越遠(yuǎn)的點(diǎn)的誤差增大越顯著。如果缺陷設(shè)置在樣品中心，雖然角度間隔大時(shí)對(duì)中心重建影響不大，但樣品中心與轉(zhuǎn)軸可能不重合。保守考慮，角度間隔選為2°，即采樣數(shù)為180。

考慮統(tǒng)計(jì)噪聲的影響，漲落的大小與探測(cè)器采集的中子總計(jì)數(shù)有關(guān)，在成像面中子注量率一定情況下，即與累積成像時(shí)間相關(guān)。圖像中像素平均中子計(jì)數(shù)為A時(shí)，則相對(duì)統(tǒng)計(jì)漲落為A-1/2。在不同統(tǒng)計(jì)漲落下模擬透射圖像后進(jìn)行重建，結(jié)果示于圖7?？煽吹?，統(tǒng)計(jì)噪聲降低了圖像對(duì)比度，對(duì)強(qiáng)吸收的釓絲而言，對(duì)細(xì)節(jié)影響不是很大；相對(duì)漲落在8%時(shí)重建結(jié)果仍可接受，即像素平均中子計(jì)數(shù)應(yīng)達(dá)160以上。

需說明，針對(duì)本文采用的中子熒光屏-光學(xué)鏡頭-CCD鏡頭采集系統(tǒng)，每個(gè)被探測(cè)到的中子轉(zhuǎn)換為光子，然后被光學(xué)系統(tǒng)和CCD收集后形成圖像，圖像灰度值實(shí)際受中子-光子轉(zhuǎn)換、光子出射概率、光子經(jīng)鏡頭組后被芯片收集過程中的效率、數(shù)模轉(zhuǎn)換系數(shù)等因素影響，因此不能直接通過圖像灰度值評(píng)估統(tǒng)計(jì)噪聲水平。

該裝置雖基本滿足熱中子透射照相檢測(cè)需求，但在設(shè)計(jì)過程中為保證成像面具有相對(duì)良好的熱中子注量率，將熱中子慢化后引出面直徑設(shè)置為8 cm，在成像距離為200 cm條件下成像準(zhǔn)直比相對(duì)不高。針對(duì)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(jìn)而影響重建質(zhì)量。

在準(zhǔn)直比25條件下，不同物中心-屏距離模擬結(jié)果示于圖8?？煽吹?，從15 mm開始，重建結(jié)果內(nèi)釓絲影像發(fā)生擴(kuò)展；各釓絲位置重建結(jié)果均較原始圖像發(fā)生擴(kuò)展；當(dāng)物中心-屏距離達(dá)35 mm時(shí)，0.2～0.6 mm釓絲重建尺寸趨于一致，只是強(qiáng)度上存在一定差別，而纏繞在鋁柱外側(cè)的釓絲已擴(kuò)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(yán)重，導(dǎo)致外圍的釓絲和聚乙烯環(huán)重建結(jié)果與真實(shí)分布出現(xiàn)了明顯的偏差。因此，成像時(shí)物中心-屏距離最好不超過15 mm。

圖8 準(zhǔn)直比25條件下不同物中心-屏距離的重建結(jié)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(jié)果

圖9 熱中子照相裝置BPI和SI測(cè)試結(jié)果Fig.9 Thermal neutron radiography test results of BPI and SI

為首先評(píng)估熱中子照相裝置的成像品質(zhì)，利用ASTM2003標(biāo)準(zhǔn)中的束流純度指示器(BPI)和像指示器(SI)進(jìn)行投影測(cè)試。測(cè)試時(shí)中子產(chǎn)額為1×1011s-1，采集時(shí)間為6 min。獲得的圖像結(jié)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(cè)得的鎘比值約為3。

圖10 熱中子層析實(shí)驗(yàn)樣品Fig.10 Object of thermal neutron tomography

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)并加工了層析測(cè)試模擬件(圖10)。測(cè)試模擬件由鋁圓柱、聚乙烯圓環(huán)外殼和布置在鋁圓柱內(nèi)的不同直徑釓絲組成。在中子產(chǎn)額約5×1010s-1、準(zhǔn)直比為25、成像時(shí)間為8 min條件下得到透射圖像上灰度達(dá)1 600。根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)產(chǎn)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(cè)效率約50%計(jì)算，8 min條件下圖像上像素平均中子計(jì)數(shù)約為200，即單個(gè)被探測(cè)中子對(duì)應(yīng)的圖像灰度值約為8。計(jì)算得到統(tǒng)計(jì)波動(dòng)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(shù)為180，實(shí)驗(yàn)時(shí)按照角度間隔2°共采集181幅透射圖像。對(duì)獲得的每個(gè)角度投影采用中值濾波去除γ白斑。由于實(shí)驗(yàn)裝置提供的熱中子準(zhǔn)直比較低(約25)，因此對(duì)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(yù)處理后采用商用濾波反投影軟件進(jìn)行平行束重建，重建過程中利用軟件自帶的轉(zhuǎn)軸修正方法進(jìn)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(cè)試模擬件典型投影圖像和重建結(jié)果示于圖11。對(duì)獲取的181幅采集圖像進(jìn)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(jié)果斷層中可識(shí)別不同直徑的釓絲，且0.2 mm直徑釓絲可見。同時(shí)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(duì)而言較模糊，分析認(rèn)為產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可能有兩個(gè)：一是成像幾何不銳度，樣品距離中子轉(zhuǎn)換屏有一定的距離，加之樣品自身的幾何尺寸，在準(zhǔn)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(xiàn)象，重建后圖像的邊界清晰度降低，該結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)應(yīng)；二是加速器熱中子束流鎘比不高，本裝置測(cè)試值約3，鎘上中子在聚乙烯中慢化并在探測(cè)器上形成非期望信號(hào)，降低了投影圖像的對(duì)比度，重建后引起了聚乙烯和鋁界面的模糊。

4 結(jié)論

使用D-T高能中子源慢化后開展熱中子層析實(shí)驗(yàn)的工作國內(nèi)外暫無公開發(fā)表結(jié)果，沒有可靠的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)可供參考。本文通過數(shù)值模擬方法，對(duì)D-T慢化后熱中子照相裝置開展層析檢測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了模擬，確定了熱中子層析檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)條件。利用該裝置，獲取了低信噪比圖像進(jìn)行重建，成功在181幅投影圖像條件下得到了重建結(jié)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(zhǔn)直比低(約25)、采樣數(shù)少(最小角度間隔2°)、D-T源能譜硬(14 MeV)，導(dǎo)致慢化困難，現(xiàn)階段層析實(shí)驗(yàn)在中子產(chǎn)額約5×1010s-1下進(jìn)行層析檢測(cè)時(shí)間較長，且重建的質(zhì)量相對(duì)不高。尚需針對(duì)低信噪比、非理想束流分布和稀疏數(shù)據(jù)重建開展迭代算法對(duì)低信噪比投影圖像的重建研究，以進(jìn)一步提高熱中子層析檢測(cè)的質(zhì)量。