专利名称：高分辨率中子衍射增强成像装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及中子成像，特别是一种高分辨率中子衍射增强成像装置，它在国防工业、生物医学等方面有着极其广泛的用途。
背景技术：
中子属于四大类基本粒子之一的重子，具有一定的静止质量、不带电荷、自旋为1/2、负的磁矩和自由中子不稳定，发生β衰变等基本特性。
中子与物质相互作用，不同于带电粒子和电磁波(X和γ射线)，中子不带电荷，射入物质时不仅与核外电子几乎没有作用，不需要克服电荷库仑力障碍，因而能量很低的中子也能进入原子核(靶核)内引起各种核反应，而且反应几率往往很大。
中子与核的相互作用可以被看成是中子波与核的相互作用。根据物质的波动理论，由德布罗意公式，在非相对论时，粒子波长为λ＝h/p＝h/mvλ为粒子的德布罗意波长，h为普朗克常数，p为粒子动量，m为粒子质量，v为速度。由此可以推导出公式λ()＝0.286Tn-1/2，其中Tn为中子动能(电子伏)。
由量子力学可以知道，中子波长越长，中子引起的核反应几率就越大。
X射线穿过物质时，X射线是与物质内原子的电子云相互作用，因此，它的衰减取决于电子云的电荷密度，而且随样品原子序数的增大而增加；不像X射线，中子是与原子核作用，总的中子截面与核的性质有关，不同元素甚至同位素之间也有很大的差别。
轰击靶核的中子并不与核内所有粒子相互作用，而只与一部分最靠近的粒子作用。因此，所有原子核的核子结合能差不多相同。中子与复杂核的相互作用势和中子与单个核子的相互作用势处于相同的数量级。
中子与原子核的作用有多种形式，包括弹性散射、非弹性散射、放出带电粒子的反应、核裂变以及辐射俘获等。
由于中子在物质中不能直接引起原子的电离，因此，只能依据中子与原子核的强相互作用来探测，不同能量的中子有不同的核过程，因而也就有不同的探测方法，主要有反冲核法(适于快中子)、核反应法(主要用于慢中子)、核裂变法和活化法。
中子成像的探测方法主要有胶片法和CCD等，无论哪种都需要和转换屏一起使用。这是因为胶片等这些探测器对中子的直接探测效率非常低，需要间接探测。转换屏的作用就是使中子与其相互作用后产生α、β或γ以及可见光等次级辐射，胶片等探测器就是记录它们的强度。因此，转换屏的效率和质量直接影响着中子成像的结果。
根据转换屏中转换物质与中子相互作用后的产物特性，转换屏可分为两类瞬态屏和活化屏。瞬态屏是指直接曝光法中使用的中子成像转换屏，如6LiF-ZnS(Ag)、有机塑料+Gd2O2S、Gd等，它在中子成像过程中发出的次级辐射以及对像的形成是在瞬间完成的。而活化屏则是间接曝光法中使用的转换屏，如In铟、Dy镝等，它在中子照射下形成有一定寿命的放射性核，在转换屏上建立子核的潜像后，再将转换屏与胶片紧贴在一起，使转换屏子核的衰变辐射在胶片上形成图像。
中子成像是在X射线成像的基础上发展起来的，但是中子成像某些方面要比X射线成像更有优势，可以解决X射线成像难以解决的一些问题。所以，一般认为它是X射线成像的很好的辅助手段。例如，中子与X射线跟物质相互作用的一个明显差别，反映在各种元素的质量吸收系数上。氢的热中子质量吸收系数很大，而一些重元素的中子质量吸收系数却很小，于是对于检查有含氢物质和重金属所组成的物体中子成像特别有效。比如对枪弹进行中子成像检查，不仅能透过金属外壳显示里面装载的炸药，而且能观察到炸药密度是否均匀、有无空隙等。对于含氢和塑料与金属组合而成的结构复杂的物体，采用中子和X射线成像，并进行比较，能对物体内部结构获得更正确的了解。有些原子序数邻近的元素或同一元素的不同同位素，往往中子质量吸收系数相差很远，因此利用中子成像就很容易将它们区分开来。在生物学和医学上，可以用中子成像来检查骨膜的胶质和癌细胞，检查牙髓，进行病理学研究等。
或许是在X射线相衬成像技术的启迪下，澳大利亚和欧洲的一个联合小组，发展了一种同轴相衬成像方法，他们采用冷中子，相应的de Brogile波长为0.433nm，成功观察到黄蜂的腿关节和翅膀的某些细节。
我们知道，无论是光波或者物质波，当通过物体时，要产生散射和吸收，在离样品适当距离将获得清晰的样品吸收衬度像，这是常规显微和层析的成像基础。
从X射线学中我们已经知道X射线的折射率nx＝1-δ，δ＝r0λ2NatF/2π，式中，λ为X射线波长，r0为经典电子半径，Nat为单位体积内原子数密度，f为原子散射因子。从中子学可知，中子的折射率具有和X射线相同的形式，nn＝1-λn2N(b±p)/2π，式中，N也是单位体积内的质子数，λ是中子波长，b是原子核散射系数，p是由于电子自旋引起的磁散射系数。从上面可以看出，折射率n两种形式几乎一致，对于同样的波长，中子δ(λn2N(b±p)/2π)比X射线的δ值小一个量级。尽管1-δ和1的差值只有10-6，但当使用非常小的λ值时，即使是不太大的厚度或密度的变化，也可能产生相当大的位相畸变。如果采用相干光或部分相干光通过物体时，除了吸收以外，还要产生位相变化，即发生波面的畸变。这种波面畸变导致部分波面的传播方向发生变化，使波面重叠而形成干涉，这样，位相变化转化成强度变化，这是相衬成像的物理基础，也是相衬层析的物理基础，更为重要的是，这种图像不经任何重构，可直接获得位相变化图像，这是相衬和全息的根本区别。
2000年，B.E.Allman等人完成了一个中子相衬的实验，实验装置如图1所示。从中子源发出的中子束1经针孔以后，变成一个球面波入射到样品3上，在距样品3的1.8米处，放置一探测器5，就可以获得样品3的位相衬度成像[参见在先技术B.E.Allman等Nature 2000，408，158]。
这个装置的最大缺点是由于各种散射波以及透射波的干扰，严重影响中子相衬成像的衬度及分辨率。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是针对上述在先技术所存在的缺点，提供一种高分辨率中子衍射增强成像装置，以消除中子和核相互作用时所产生的散射噪音以及直接透过的中子干扰，提高中子相衬成像的衬度及分辨率。
本实用新型的技术解决方案如下一种高分辨率中子衍射增强成像装置，包含准直的中子束和探测器，其特征是在所述准直的中子束的前进方向设有单色器，该单色器与中子束成掠入射角θ，与该单色器平行地放置一分析器，该分析器所衍射的中子束方向是所述的探测器，在该探测器所转换的可见光光轴上成45°地放置一铝反射镜，在该铝反射镜的反射光路上有CCD相机，该CCD相机的输出端接一显示器，所述的探测器、铝反射镜和CCD相机被密闭地装在一暗箱中。
本实用新型的工作过程如下将待测样品放在单色器和分析器之间，被导管准直后的中子束入射到单色器上，单色化以后，入射到放置在中子束前进方向的待测样品上，从待测样品出射的中子束进入到与单色器相互平行放置的分析器上，被分析器衍射的中子束进入到探测器中并转换成可见光，在与光轴成45°的方向上，设置一铝反射镜。该铝反射镜的作用是将可见光转变90°，并射向CCD接收器，从显示器上读出信号。
所说的中子源是从裂变反应堆中子源辐射并经准直器出射的中子。该裂变反应堆中子源是把铀和钚等裂变材料作燃料，而以中子为媒介，维持可控链式裂变反应的装置，称为裂变反应堆，这种装置可获得高通量的中子辐射，可达1013～1020中子数/秒，可以长期运行，并由一个具有矩形或圆形截面的钢盒或钢筒准直，从准直器中出射的中子，其发散度等于孔径和长度的比值，显然只要缩小孔径，增加长度可以大大改善发散度，获得准平行中子束。
所说的单色器是一块单晶铝或铜，准平行入射的中子束和单色器成掠入射角θ时，产生布拉格反射，产生一单色中子束。
所说的样品是一个待测的对中子透射的材料。
所说的分析器是一块和单色器同样材料的单晶铝或铜单晶，其作用相当于一个宽带滤波器，它能滤去中子和样品相互作用时所产生的各种散射。
所说的探测器是一个中子闪烁体，为ZnS(Ag)-LiF。由于中子在物质中不能直接引起原子的电离，没有电流输出，所以本实用新型中采用ZnS(Ag)-LiF。样品中产生的衍射中子束，垂直入射到闪烁体的屏上，每一个中子产生级联可见光子。
所说的铝反射镜用来把闪烁体产生的可见光反射到接收器CCD相机上，CCD相机为商业用CCD。
所说的显示器是用来将CCD接收到的信号显示出来。
所说的暗箱是用来屏蔽外界杂散光。
本实用新型的技术效果如下本实用新型的高分辨率中子衍射增强成像装置，采用了一个单色器将中子进行色散，当准平行的中子束照射到待测样品上时，中子束中携带有样品信息，同时也产生散射，这种散射波与衍射波混在一起，如果采取类同轴全息相衬成像方法的话，势必信噪比低，因此本实用新型是在样品后又放置一个分析器，这个分析器与单色器平行。分析器的作用是将散射波滤掉，因此在接收器上接收到的仅是样品位相信息，从而保证高的信噪比、高的衬度和高的分辨率。与在先技术相比本实用新型的高分辨率中子衍射增强成像装置及方法，由于采用了一个分析器，可以滤去中子的散射波与透射波，可以提高信噪比、衬度和分辨率。
图1为在先技术中中子相衬成像装置示意图。
图2为本实用新型的高分辨率中子衍射增强成像装置示意图。
具体实施方式
请参阅图2，图2是本实用新型的高分辨率中子衍射增强成像装置示意图，如图2所示，本实用新型的高分辨率中子衍射增强成像装置由9部分组成在准直的中子束1的前进方向设有单色器2，该单色器2与中子束1成掠入射角θ，与该单色器2平行地放置分析器4，该分析器4所衍射的中子束方向是所述的探测器5，在该探测器5所转换的可见光光轴上成45°地放置一铝反射镜6，在该铝反射镜6的反射光路上有CCD相机7，该CCD相机7的输出端接一显示器8，所述的探测器5、铝反射镜6和CCD相机7被密闭地装在一暗箱9中。
所说的准直中子束1是一个裂变反应堆和一个中子准直器，波长为0.4nm。
所说的单色器2是一块单晶铝，也可以是单晶铜。
所说的待测样品3是一个生物样品，它对中子束是透明的。
所说的分析器4是一块单晶铝，也可以是单晶铜，它和单色器的材料完全一样。
所说的探测器5是一块闪烁体，材料为ZnS-LiF，市场有售。
所说的铝反射镜6是一块镀铝的镜子。
所说的CCD相机7是一台市售的对可见光灵敏的电荷耦合器。
所说的显示器8是用来读出CCD相机接收到的信号。
所说的暗箱9是用来屏蔽杂散光，避免对CCD干扰。
本实用新型的高分辨率中子衍射增强成像装置的工作过程是当来自准直的中子束1的中子经单色器2色散以后，照射到待测样品3中，中子与待测样品3相互作用以后，部分中子被折射、散射、吸收和透射，照射到分析器4上去，而只有其中被待测样品3折射的那部分中子含有样品的信息，并经分析器4衍射到探测器5上去，而其余部分将被滤掉，从而提高信噪比、衬度和分辨率。
这种高分辨率中子衍射增强成像装置，在生物医学、材料结构、航天航空、宇宙化学、兵器工业、考古等方面有着广泛的应用。
权利要求1.一种高分辨率中子衍射增强成像装置，包含中子束源(1)和探测器(5)，其特征是在所述中子束源(1)的准直的中子束设有单色器(2)，该单色器(2)与中子束成掠入射角θ，与该单色器(2)平行地放置分析器(4)，该分析器(4)所衍射的中子束方向是所述的探测器(5)，在该探测器(5)所转换的可见光光轴上成45°地放置一铝反射镜(6)，在该铝反射镜(6)的反射光路上有CCD相机(7)，该CCD相机(7)的输出端接一显示器(8)，所述的探测器(5)、铝反射镜(6)和CCD相机(7)被密闭地装在一暗箱(9)中。
2.根据权利要求1所述的高分辨率中子衍射增强成像装置，其特征在于所述的单色器(2)和分析器(4)都是一块单晶铝或单晶铜。
3.根据权利要求1所述的高分辨率中子衍射增强成像装置，其特征在于所述的探测器(5)是一个中子闪烁体。
专利摘要一种高分辨率中子衍射增强成像装置，包含准直的中子束和探测器，其特征是在所述准直的中子束的前进方向设有单色器，该单色器与中子束成掠入射角θ，与该单色器平行地放置一分析器，该分析器所衍射的中子束方向是所述的探测器，在该探测器所转换的可见光光轴上成45°地放置一铝反射镜，在该铝反射镜的反射光路上有CCD相机，该CCD相机的输出端接一显示器，所述的探测器、铝反射镜和CCD相机被密闭地装在一暗箱中。本实用新型的优点是可以消除中子和核相互作用时所产生的散射噪音以及直接透过的中子干扰，提高中子相衬成像的衬度及分辨率。
文档编号G01N23/20GK2739624SQ20042009098
公开日2005年11月9日 申请日期2004年10月13日 优先权日2004年10月13日
发明者陈建文, 高鸿奕, 李儒新, 徐至展 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所