专利名称：中子显微成像装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是关于一种中子显微成像技术，特别是涉及到中子物理成像的中子显微成像装置。
1.中子具有一定的静止质量，m0＝1.674920×10-24g，根据物质波动理论，由德布罗意公式可以得到中子的波长λ=81.8E]]>例如一个热中子其能量E＝25meV，它的波长为0.181nm，该值接近于原子大小；又如一个共振中子E＝1MeV，它的波长λ＝2.86×10-5nm。通常探测仪器的分辨率和它的波长成反比，因此，当用中子作为显微镜的照明源时，极限分辨率为波长的1/2，足以观察原子核内部的精细结构，可见其诱惑力是多么大。
2.中子不带电荷，因此，它射入物质时，不仅不与核外电子相互作用，不需要克服核库仑力的障碍，因而即使是低能粒子，也能进入原子核内，引起各种核反应。
3.除了氢、锂、硼等个别元素外，中子质量吸收系数远比X射线小，特别是在重元素里，中子的穿透能力很强，在轻元素里，穿透能力较差，其行为正好与X射线相反。
X射线透射显微术的衬度机制，是当X射线和物质相互作用时，在入射方向上，光子数减少并遵从比尔定律，而中子也具有这种特性。
从上面介绍可以看出，假如中子和显微技术结合起来，对于超微细结构的研究、洞察自然界的奥秘，将提供一个有效的工具。
在先技术中，1997年，在帕诺·斯盖仁研究所提供了一种中子透射射线照相装置，此仪器分辨率最高为2μm，但它还不是一台中子显微成像装置，不能观察原子核内的精细结构。
本实用新型的具体结构是包括由屏蔽层10构成的屏蔽室11，内置有中子源1，在屏蔽室11内，由中子源1发射的中子束，首先经过长筒状的中心轴线OO′与中子束中心束轴OO′重合置放的准直器2，经准直器2准直的中子束，到入射面与中子束中心束轴OO′的夹角α＝10°～20°置放的、并中点O′在中子束中心束轴OO′上的单色器3，经单色器3出射的中子束的中心束轴O′O″与单色器3入射面的夹角α′＝α，经单色器3出射的单色中子束，经过狭缝4和波带片5，将中子束聚焦在置放在样品台7上的待测样品6上，待测样品6产生的信号经正比计数器8变成电流信号，输入到计算机9内进行重构处理。
所说的中子源1是裂变反应堆中子源，或者是加速器中子源。
其中，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，并且已研究出多种方法，来实现中子单色化。
其中加速器中子源采用各类加速器，加速带电粒子去轰击某些靶核，产生中子。中子的单色性取决于带电粒子的单色性，因此，加速器中子源的最大优点是可产生单能中子。
所说的准直器2通常由一个具有矩形或圆形截面的钢管或钢筒构成，从准直器2中出射中子，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，这样做将损失出射中子的通量。
所说的单色器3为使中子单色化，通常选用一块较大的单色晶体，用衍射方式，使不同波长的中子产生角色散进行单色化，其原理和光栅谱仪相类似。本实用新型的单色器3是由金属晶体构成的，如由铅晶体构成，或者由铜晶体构成，或者由铍晶体构成。被单色器3反射的中子数N为N=2N1λ(EKT)e-E/KT2dcosθRθ]]>式中，N1为每秒钟入射到单色器3上的所有速度的中子总数；E波长为λ的中子能量；θ布喇格角；d晶格常数；Rθ旋转晶体积分反射率；K玻尔兹曼常数；T绝对温度所说的狭缝4，在中子工作中，通常选镉作为狭缝。因为，在已知的各种材料中，镉对中子的透射系数最低，趋近于零，所以镉是最佳候选者。
所说的波带片5是一种衍射透镜，可以看成是一个线密度沿径向递增的圆形光栅，利用它的效率较高的一级衍射，几乎可以对所有波长的辐射成像。本实用新型中用的是菲涅尔波带片，它是由一系列环带组成，用于将中子聚焦成极细小的焦斑(焦斑小于5nm)，以便在待测样品6上进行扫描。本实用新型中的聚焦元件波带片，是用电子束制版制作的，分辨率由最外环波带宽度决定，目前的最高分辨率已达5nm，通常是用铅或镉作材料。
样品台7可进行上下和左右平动，它可用压电陶瓷控制，待测样品6放在样品台7上。
所说的正比计数器8，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，所以本实用新型中是采用正比计数器8，接收中子数转换成电流信号输出，所采用的正比计数器8是3He计数管，3He计数管中的反应是He23+n01=H11+H13+0.76MeV]]>其中，23He为氦的同位素，01n为中子源1发射的中子符号，11H，13H为氢的同位素。
这样，中子信号就变成了电流信号，经A/D转变，输入到计算机中，就获得待测样品6的图像信息。
从中子源1发出的中子，经准直器准直后，发射一束平行的中子束到单色器3上，经单色器3色散，形成单色中子束，再经过镉狭缝4滤波后，一平行单色的中子束照射到波带片5上，中子经波带片5聚焦，焦点落在待测样品6上。待测样品6放置在样品台7上。样品台7作上下、左右移动扫描，从待测样品6处透射的信号被正比计数器8接收，输出电流信号，输入到计算机9内进行重构处理。本实用新型与在先技术相比具有的优点本实用新型的中子显微成像装置，由于采用中子源1，有单色器3的单色化、波带片的聚焦等结构，可以测量极细微的结构，分辨率比较高。所以，可以在工业、农业、生物医学、物理、地球化学和宇宙化学、考古学、海洋学等方面获得极为广泛的应用。例如，中子显微成像装置可以测定核糖体和染色质的结构；采集少量海水，就可对海洋沉积物和海底岩石微量元素分布规律进行研究；通过对地球和其它外来宇宙物质中，稀土元素的丰度和分布分析测量，研究地球物质的演变过程，和自然界元素的合成理论等。再如，用中子显微成像装置能研究农药在农作物上的代谢和分解、在土壤中的积累和消失，及其在畜牧产品上的残留；在物理学中，可用中子显微成像装置探测原子核内部结构等等。
从中子源1中出射的中子，经准直器2入射到铅单晶的单色器3上，产生色散，用镉狭缝4选出部分中子束来，此时的中子束无论在发散度还是光谱质量方面，都获得了极大的改善。
<2>记录和检测系统波带片5选用菲涅尔波带片，波带环数大于100，待测样品6是生物组织，样品台7是二维移动平台，正比计数器8是3He计数管。从狭缝4出射中子束，照明波带片5，并被波带片5聚焦在样品台7上的待测样品6上，样品台7载着待测样品6先上下移动扫描，然后左右移动扫描，中子束在待测样品6上每扫描一点，需停留1ms时间。待测样品6上每透射一点的中子束，入射到正比计数器8上，产生一电流脉冲，经A/D转换板，输入到计算机9内。由于待测样品6上各点的吸收系数不同，输入到计算机9的信息也各异，因此，就可获得待测样品6的清晰图像。对于100μm大小的生物样品，空间分辨率能达到10nm左右。
本实用新型的显微成像装置获得的中子显微图像分辨率，取决于菲涅尔波带片聚焦斑的大小，通常的分辨率可以达到10nm以下，比在先技术中用中子照相的最好结果高200倍以上。
权利要求1.一种中子显微成像装置，包括由屏蔽层10构成的屏蔽室11，内置有中子源1，其特征在于屏蔽室11内由中子源1发射的中子束，首先经过长筒状的中心轴线(OO′)与中子束中心束轴(OO′)重合置放的准直器2，经准直器2准直的中子束到入射面与中子束中心束轴(OO′)的夹角α＝10°～20°置放的、并中点(O′)在中子束中心束轴(OO′)上的单色器3，经单色器3出射的中子束的中心束轴(O′O″)与单色器3入射面的夹角α′＝α，经单色器3出射的单色中子束，经过狭缝4和波带片5，将中子束聚焦在置放在样品台7上的待测样品6上，待测样品6产生的信号，经正比计数器8变成电流信号，输入到计算机9内进行重构处理。
2.根据权利要求1所述的中子显微镜，其特征在于所说的单色器3是由金属晶体铅晶体构成，或者由铜晶体构成，或者由铍晶体构成。
专利摘要一种中子显微成像装置，包括由中子源发射的中子束，经过长筒状的准直器准直，再经过单色器变成单色中子束后，通过狭缝由波带片将其中子束聚焦在置放在样品台上的待测样品上，待测样品产生的信号经正比计数器变成电流信号，输入计算机进行重构处理。与在先技术相比，具有分辨率高、能够测量微细结构，可以广泛应用于工业、农业、生物医学、物理、地球化学和宇宙化学、考古和海洋学等方面的微观结构的观察测量。
文档编号G01N23/02GK2591620SQ02283659
公开日2003年12月10日 申请日期2002年12月27日 优先权日2002年12月27日
发明者陈建文, 高鸿奕, 谢红兰, 徐至展 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所