一种快速中子成像系统技术方案

技术编号:20654492 阅读:29 留言:0更新日期:2019-03-23 06:23
本发明专利技术提供了一种快速中子成像系统,包括中子转换屏、反光镜、像探测器、光学调整架、暗箱、屏蔽模块和计算机控制系统,其中,中子转换屏、反光镜、像探测器和光学调整架设于暗箱内,屏蔽模块设于正对中子束的暗箱一侧;中子转换屏包括中子‑质子转换层、质子能量选择层、电子倍增层和荧光层;像探测器采用硅光电倍增管阵列,或像增强CCD相机;光学调整架包括第一平移台和第二平移台;第一平移台的一端设有反光镜,另一端连接有第二平移台,第二平移台上设有与反光镜相对而设的像探测器;计算机控制系统远程控制第一平移台和第二平移台的移动。本发明专利技术结构简单、紧凑,且能满足不同视场范围和分辨率的成像要求。

【技术实现步骤摘要】
一种快速中子成像系统
本专利技术涉及中子照相
,尤其涉及一种快速中子成像系统。
技术介绍
中子照相是一种利用不同材料的中子质量衰减系数不同而获取样品内部结构的射线无损检测方法。快中子的高能量使得它比热中子和冷中子具有更高穿透能力,这就为实现一些厚重物体的内部信息检测提供了条件。快中子照相技术在厚重样品或大件的现场检测等方面弥补了热中子照相技术及x射线照相技术的不足,是对热中子照相技术及x射线照相技术的重要补充。快中子照相具有广阔的应用空间与发展前景,特别是在航空航天、核材料、反恐、海关检验等领域具有优势。但一直以来快中子照相还有许多技术瓶颈没有突破,比如快中子探测效率低、散射影响大等问题,这些技术问题也是目前各个国家正在开展快中子成像的研究的重点和关键。快中子照相装置通常由快中子源和成像系统组成。快中子成像一般采用快中子转换屏加胶片或CCD相机组成的像探测器。常用的快中子转换屏主要有两大类:一类是由含氢材料和ZnS(Ag)荧光粉混合制成,如常用的PP屏,另一类是塑料闪烁体,如BC系列产品。一般而言,提高快中子成像系统探测量子效率的最有效途径是增加转换屏的厚度。基于ZnS(Ag)的转换屏发光效率高,且对γ射线灵敏度低,但因ZnS(Ag)荧光粉不透明,转换屏的有效厚度收到限制,因此这种转换屏的快中子探测效率很低。基于塑料闪烁体的转换屏发光效率低,且对γ射线有很高灵敏度,不利于形成高质量图像。研制中子探测效率高且发光效率高的高效快中子转换屏,同时降低对γ射线的灵敏度,是提高快中子照相质量需要解决的关键技术问题。近年来已发展了光纤闪烁体转换器加CCD(Charge-CoupledDevice)相机探测器、GEM(GasElectronMultiplier)探测器、Micomegas探测器、聚乙烯(Polyethylene,PE)转换器加半导体阵列探测器等多种形式的快中子像探测器。采用光纤闪烁体转换器和CCD相机的探测器空间分辨只达到1~2mm;GEM和Micomegas探测器对γ射线较敏感,且气体雪崩放电会导致位置分辨下降。章法强等在“物理学报”杂志2007年第56卷第1期上发表题为“高灵敏度的快中子照相系统”文章,采用由闪烁光纤阵列和科学级可见光CCD等元件组成的快中子照相系统,实验获得的14MeV快中子图像,经降噪处理后质量较好,但由于没有对CCD相机进行屏蔽,中子辐射本底对图像的影响严重。姚泽恩等在“核技术”杂志2015年第38卷第9期上发表题为“基于微通道板的快中子像探测器转换器的模拟研究”文章,提出了一种由聚乙烯转换器、微通道板电子增强器和CCD相机组成的快中子照相像探测器,模拟结果验证了聚乙烯和微通道板组成的转换器系统能够将入射的快中子转换成电子束斑点阵信息,电子束斑点阵像素可以达到MCP孔径量级。现有中子照相装置多采用固定转换屏与CCD相机距离的结构,难以满足不同视场范围和分辨率要求。本专利技术之前,中国于2011年11月16日公开专利申请《高速中子摄像装置》,申请号为ZL201110179473.9,该申请设计了能够带动镜头和高速CMOS相机整体移动的平移台,该摄像装置可对不同视场范围和分辨率要求做出响应,但是该设计中将镜头和CMOS相机放在一个铅屏蔽盒内,同时铅屏蔽盒放在X平移台上,X平移台带动镜头和CMOS相机移动的同时,需带动铅屏蔽盒同步移动,平移台体积庞大且负荷较大。据此,目前急需一种在满足不同视场范围和分辨率的成像要求的同时,还能兼具结构简单紧凑优点的快速中子成像系统。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种在满足不同视场范围和分辨率的成像要求的同时,还能兼具结构简单紧凑优点的快速中子成像系统。本专利技术采用以下技术方案解决上述技术问题:一种快速中子成像系统,包括中子转换屏、反光镜、像探测器、光学调整架、暗箱、屏蔽模块和计算机控制系统,其中,中子转换屏、反光镜、像探测器和光学调整架设置于暗箱内,屏蔽模块安装于正对中子束的暗箱一侧;所述中子转换屏包括中子-质子转换层、质子能量选择层、电子倍增层和荧光层,其通过转盘设置不同的质子能量选择层进行质子能量调控;所述像探测器采用硅光电倍增管阵列,或像增强CCD相机;所述光学调整架包括第一平移台和第二平移台;所述第一平移台的一端设有反光镜,另一端连接有第二平移台,所述第二平移台上设有与反光镜相对而设的像探测器;所述计算机控制系统远程控制第一平移台和第二平移台的移动。作为本专利技术的优选方式之一,所述暗箱具体为一侧向外延伸出凸台的“L”型箱体,所述凸台的延伸方向正对中子束。作为本专利技术的优选方式之一,所述屏蔽模块采用硼氢化锆、硼氢化镁、碳化硼或含硼聚乙烯。作为本专利技术的优选方式之一,所述中子转换屏具体设置于正对中子束入射方向的暗箱内部,中子转换屏的另一侧设有与中子束入射方向成45度角的反光镜,反光镜对面设有像探测器。作为本专利技术的优选方式之一,所述中子转换屏沿中子束入射方向依次包括中子-质子转换层、质子能量选择层、电子倍增层和荧光层,其中,中子-质子转换层采用富氢材料,质子能量选择层采用具有较高质子阻止本领的材料,电子倍增层采用微通道板,荧光层采用闪烁光纤阵列。作为本专利技术的优选方式之一,所述中子转换屏为圆形,直径150mm,厚度25~32mm;其中,所述中子-质子转换层厚度为2mm,电子倍增层厚度为3~5mm,荧光层厚度为15~25mm;其通过一个圆形固定框将中子-质子转换层、质子能量选择层、电子倍增层和荧光层这四层结构压紧固定,使各层材料之间无缝贴合。作为本专利技术的优选方式之一,所述富氢材料具体为聚乙烯材料;所述具有较高质子阻止本领的材料具体为SiO2、Al2O3或HfO2材料;所述闪烁光纤阵列具体由ZnS(Ag)荧光物质和光纤阵列组成,ZnS(Ag)荧光物质布满光纤阵列的间隙。作为本专利技术的优选方式之一,所述微通道板的通道孔径为10~20μm,通道倾角8°,通道间距50μm;所述微通道板两端施加1~2kV电压。作为本专利技术的优选方式之一,入射的快中子与富氢材料中的氢发生弹性碰撞产生反冲质子,通过质子能量选择层调控质子能量,质子入射到微通道板中产生二次电子并倍增,倍增后输出的电子轰击闪烁光纤阵列内的荧光物质并发光,光子经光纤阵列传播,再经反光镜改变光路后最终进入像探测器进行成像。作为本专利技术的优选方式之一,所述硅光电倍增管阵列具体为一弱光光电探测器件,由大量工作在盖革模式的雪崩光电二极管(APD)组成,具有单光子计数探测灵敏度高、增益高、偏置电压低、对磁场不灵敏、结构紧凑等特点;样品透射中子与所述中子转换屏作用产生光子,硅光电倍增管阵列接收光子,经前置放大器收集电荷,并经滤波整形电路进一步放大成形,成形的脉冲信号输出到数据采集系统进行计数。作为本专利技术的优选方式之一,所述光学调整架具体包括底座、第一平移台和第二平移台;所述第一平移台固定于底座之上,且具体呈“L”型,第一平移台的一侧端与反光镜固定相连,另一侧端通过二号连接轴与第二平移台相接,所述第一平移台上相对反光镜设置方向的背面还设有通过一号连接轴与第一平移台相连的第一步进电机;所述第二平移台滑动连接于底座之上,第二平移台上朝向第一平移台方向的一端连接有与第二步进电机相连的二号连接轴,第二平移台的另本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种快速中子成像系统,其特征在于,包括中子转换屏、反光镜、像探测器、光学调整架、暗箱、屏蔽模块和计算机控制系统,其中,中子转换屏、反光镜、像探测器和光学调整架设置于暗箱内,屏蔽模块安装于正对中子束的暗箱一侧;所述中子转换屏包括中子‑质子转换层、质子能量选择层、电子倍增层和荧光层,其通过转盘设置不同的质子能量选择层进行质子能量调控;所述像探测器采用硅光电倍增管阵列,或像增强CCD相机;所述光学调整架包括第一平移台和第二平移台;所述第一平移台的一端设有反光镜,另一端连接有第二平移台,所述第二平移台上设有与反光镜相对而设的像探测器;所述计算机控制系统远程控制第一平移台和第二平移台的移动。

【技术特征摘要】
1.一种快速中子成像系统,其特征在于,包括中子转换屏、反光镜、像探测器、光学调整架、暗箱、屏蔽模块和计算机控制系统,其中,中子转换屏、反光镜、像探测器和光学调整架设置于暗箱内,屏蔽模块安装于正对中子束的暗箱一侧;所述中子转换屏包括中子-质子转换层、质子能量选择层、电子倍增层和荧光层,其通过转盘设置不同的质子能量选择层进行质子能量调控;所述像探测器采用硅光电倍增管阵列,或像增强CCD相机;所述光学调整架包括第一平移台和第二平移台;所述第一平移台的一端设有反光镜,另一端连接有第二平移台,所述第二平移台上设有与反光镜相对而设的像探测器;所述计算机控制系统远程控制第一平移台和第二平移台的移动。2.根据权利要求1所述的快速中子成像系统,其特征在于,所述暗箱具体为一侧向外延伸出凸台的“L”型箱体,所述凸台的延伸方向正对中子束。3.根据权利要求1所述的快速中子成像系统,其特征在于,所述屏蔽模块采用硼氢化锆、硼氢化镁、碳化硼或含硼聚乙烯。4.根据权利要求1所述的快速中子成像系统,其特征在于,所述中子转换屏具体设置于正对中子束入射方向的暗箱内部,中子转换屏的另一侧设有与中子束入射方向成45度角的反光镜,反光镜对面设有像探测器。5.根据权利要求1所述的快速中子成像系统,其特征在于,所述中子转换屏沿中子束入射方向依次包括中子-质子转换层、质子能量选择层、电子倍增层和荧光层,其中,中子-质子转换层采用富氢材料,质子能量选择层采用具有较高质子阻止本领的材料,电子倍增层采用微通道板,荧光层采用闪烁光纤阵列。6.根据权利要求5所述的快速中子成像系统,其特征在于,所述富氢材料具体为聚乙烯材料;所述具有较高质子阻止本领的材料具体为SiO2、Al2O3或HfO2材料;所述闪烁光纤阵列具体由掺银硫化锌荧光物质和光纤阵列组成,掺银硫化锌荧光物质布满光纤阵列的间隙。7.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员:吴宜灿李雅男张早娣章勇胡丽琴王芳
申请(专利权)人:中国科学院合肥物质科学研究院
类型:发明
国别省市:安徽,34

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