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介绍中子射线照相和断层摄影的原理

中子射线摄影和断层摄影

中子断层摄影原理图

中子成像具有广泛的工业和科学意义,可以提供有关物体内部结构和组成的详细信息。

中子成像的原理是基于定向中子束通过物质的散射和吸收而衰减。由于不同的材料衰减中子的能力不同,因此可以探测其组成和结构。中子束可以在反应堆中产生,也可以从中子发射同位素产生,也可以从质子加速器中的目标产生。该技术具有非破坏性,已被有效地应用于具有考古意义的文物。

中子成像技术,而不是与x射线成像竞争,完全和理想的互补。然而x射线会被电子散射和吸收,因此具有更大电子壳层的原子相互作用更强,另一方面,中子与原子核相互作用。此外,没有真正的周期规律性来说明这种相互作用的程度,甚至同一元素的同位素在衰减能力上也可能有明显的差异。

具有特别实际意义的是氢与中子的相互作用非常强,而大多数金属能有效地传输中子,两者之间的高度反差。这与x射线成像直接相反,并提供了有效可视化金属容器中有机含氢物质动态的手段,如可视化发动机内燃料的能力。它也同样可以用于查看金属结构内的塑料密封件或润滑剂。某些材料的衰减程度有时取决于中子能量,快中子或热中子,铁的情况就是如此。

中子射线照相术包括将一个物体放在中子束的路径上,并测量投射到中子探测器上的物体的阴影图像,中子探测器通常由与CCD或EMCCD相机光学耦合的闪烁体组成。中子断层扫描技术更进一步,需要旋转光束中的样本,并记录180°角度范围内的多个2D图像。从数据集中,可以通过对象构建一个三维表示。图1显示了典型的系统设置。

中子射线摄影/断层摄影相机解决方案

传统上,CCD被用作中子断层成像相机。Andor的科学成像相机具有极低的噪声,-100°C的冷却和最高的量化宽松提供最佳性能。

然而,对于一些中子探测应用,如实时动态过程,CCD的限制可能是3-5 MHz的有效读出速度。bob综合app官网登录尽管由于前面提到的特性,这对于监视静止的物体或缓慢的进程仍然非常有效。

对于更快的分帧要求,或执行更快的3D断层扫描(或4D (3D +时间)),需要采取不同的方法来选择相机。

Neo sCMOS就是这样一种相机选择,提供低噪声,目标视野和100帧/秒的速度更快,更小的兴趣区域。如果应用还需要单光子灵敏度,则应选择EMCCD探测器。

EMCCD探测器提供> 90% QE,以及帧率为> 30完整帧/秒的单光子灵敏度。EMCCD增强的灵敏度和速度为跟踪更快的3D断层扫描打开了大门。获得的EMCCD克服了系统固有的光学损耗。

图2中的QE曲线和表1中列出的相机显示了中子断层摄影的一些可用选项。

量化宽松曲线的选择

图2所示。量化宽松曲线的选择

EMCCD sCMOS CCD
860 897 888 885 Neo iKon-L 936 iKon-M 934
有源像素(HxV) 128 x 128 512 x 512 1024 x 1024 1004 x 1002 2560 x 2160 2048 x 2048 1024 x 1024
像素大小(μm2 24 16 13 8 6.5 13.5 13
全帧速率 515 35 8.9 31.4 One hundred. 0.92 2.2
读噪声(e- EM增益<1 EM增益<1 EM增益<1 EM增益<1 1卷帘快门模式 14 @ 3兆赫高容量模式 10.3 @ 2.5 MHz
Digitilization 14位和16位 14位和16位 14位和16位 14位 16位 16位 16位

表1。中子断层摄影相机选项的关键参数

案例研究

无损检测(NDT)

图3显示的是瑞士苏黎世瑞士国家博物馆展出的著名青铜雕塑“来自塔尔维尔的默丘勒”的虚拟切片。借助中子层析成像技术,完全无损地研究铸件内部结构和失效成为可能。之所以需要中子,是因为常用的x射线无法穿透含大量铅的合金。

瑞士Paul Scherrer研究所NEUTRA设施的中子断层摄影。图片由NEUTRA设施的Eberhard H. Lehmann提供。

从Thalwil美居酒店

图3 -来自thalwill的Mercure

现场测试

图4显示了一个洒水喷头,其中包含一个装满液体的管子。为了保证质量和功能检查,它周围的密封圈进行了现场检查(安装时)。与周围的金属结构相比,橡胶和液体对中子的对比度很高。

通过喷头的横截面

图4 -通过喷头的横截面。

研究有机材料

图5所示为一只体长为20厘米的螃蟹,我们对其进行了调查,以观察其壳内的内脏。中子对有机物质有很高的对比度。

露出壳内内脏的螃蟹

图5 -一只螃蟹展示壳内的内部。

日期:N/A

作者:和或

类别:应用注释

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