中子成像與X射線成像：原理互補與斷層掃描全解析
本文介紹中子成像與 X 射線成像的互補原理，講解中子射線照相與斷層掃描技術，闡述其在工業(yè)無損檢測、動態(tài)過程監(jiān)測等場景的應用，并結(jié)合 CCD、sCMOS、EMCCD 等相機方案，說明該技術的實現(xiàn)與優(yōu)勢。
▌中子射線成像
中子射線成像（NR，后續(xù)簡稱為中子成像）是一種有效的非破壞性成像系統(tǒng)，它利用能中子探測各種材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
與X 射線成像不同，中子只與原子核相互作用。這種相互作用的差異意味著熱中子的衰減模式與X射線不同，因為X射線的衰減完全取決于材料密度，密度更高的材料能夠阻擋更多穿過的X射線。而對于中子而言，樣品對其的衰減能力與密度無關。
硼等輕質(zhì)材料會吸收中子，因此硼被用于核反應堆控制棒。氫通常會散射中子，而許多常見金屬則允許中子穿過其結(jié)構(gòu)。由于中子與材料的相互作用方式不同，中子成像可以被視為X射線成像的補充。
由于不同材料的衰減特性各異，穿過樣品的中子束可以被解讀為攜帶樣品成分和結(jié)構(gòu)信息的信號。簡單來說，用X射線照射鑄鐵件可以看到不透射線的形狀，但中子成像卻能清晰地展現(xiàn)鐵材料內(nèi)部的氣泡或微裂紋等細節(jié)。
▌中子成像應用
中子成像和斷層掃描（三維射線成像）是檢測金屬鑄件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，檢查是否存在空隙和缺陷的有效技術，也是檢測那些非破壞就無法暴露的缺陷的通用技術。
一個很好的例子是檢查金屬部件內(nèi)部橡膠O圈的位置和完整性。中子射線照相術還可以用于檢測復雜的工藝過程，例如追蹤金屬鑄件（如內(nèi)燃機）甚至巖石和土壤基質(zhì)中微量含氫化合物的擴散。
在另一個例子中，研究人員對兩種不同顆粒形態(tài)的部分水飽和壓實石英砂進行了研究。雙重成像方法能夠更有效地區(qū)分固體二氧化硅、液態(tài)水和氣相，并獲得孔隙率、孔隙率變化和粒度分布數(shù)。
短時曝光中子射線照相術可用于追蹤快速周期性過程。例如，可用于檢測運行中的質(zhì)子交換膜燃料電池中的水流、測量含鋰電極中鋰離子的擴散系數(shù)以及對特殊核材料中的裂變中子進行成像。
動態(tài)過程會給斷層掃描數(shù)據(jù)的采集帶來挑戰(zhàn)。這是因為通常不允許樣本在掃描過程中發(fā)生變化，否則可能會導致運動偽影。然而，通過按既定順序采集投影，仍然可以從掃描過程中發(fā)生變化的樣本中獲得良好的時空數(shù)據(jù)。
▌中子源
大多數(shù)中子成像都使用熱中子，熱中子是指能量約為0.025電子伏特的中子。使用熱中子的原因有兩個。首先，該能量范圍內(nèi)的中子具有最有效的衰減特性。其次，熱中子很容易通過慢化處理獲得。
使用來自點源（例如核反應堆）的中子通常意味著它們的能量高于熱中子，且方向發(fā)散。因此，必須減慢快中子的速度并對中子束進行準直，才能生成高分辨率的清晰X光圖像。
▌獲取基于中子的圖像
用于中子成像的探測器能夠測量垂直于束流方向的二維中子場。探測器面積必須與束流截面相當或更大。此外，邊界條件還包括探測器的空間和時間分辨率，而不同探測器系統(tǒng)的分辨率可能差異很大。
電荷耦合器件 (CCD) 通常用作中子斷層掃描的成像相機。牛津儀器 Andor 科學成像 CCD 相機系列，例如 iKon L-936，憑借其極低的噪聲、-100 °C 的冷卻能力和最高的量子效率，可提供最佳性能，是理想之選。
▲科學級CCD相機 iKon-L 936
然而，CCD在某些中子探測應用中存在局限性，例如實時動態(tài)過程的探測，其有效讀出速度僅為3-5 MHz。這對于監(jiān)測靜止物體或緩慢過程非常有效，但對于更快的幀速率要求或進行更快的3D斷層掃描，則需要使用其他相機/探測器。
牛津儀器 Andor 的Zyla 是一款低噪點、大視野范圍、每秒 100 幀全幀拍攝的相機，對較小感興趣區(qū)域則可實現(xiàn)更快的拍攝速度。
▲科學級sCMOS相機Zyla
如果應用還需要單光子靈敏度，則應選擇電子倍增電荷耦合器件(EMCCD) 探測器，例如具有 30 MHz 和 26 fps 快速讀出能力的 iXon Ultra 888。EMCCD探測器通常提供 >90% 的量子效率，以及在約 30 fps 幀速率下實現(xiàn)的單光子靈敏度。EMCCD 的增強靈敏度可實現(xiàn)更快的 3D 斷層掃描，并克服系統(tǒng)固有的光學損耗。
▌結(jié)論
盡管迄今為止中子成像和X射線成像一直作為獨立技術使用，但在某些情況下，它們已被以混合方式結(jié)合起來，用于一種新型的雙模對比成像技術。中子斷層掃描和X射線圖像經(jīng)過處理和組合，可以提供新的視角。為此，牛津儀器提供理想的相機，以滿足您的各種應用需求。
▌中子射線照相術和斷層掃描原理
▲圖1：中子斷層掃描示意圖
中子成像具有廣泛的工業(yè)和科學意義，可以提供有關物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分的詳細信息。
中子成像的原理是基于定向中子束穿過物質(zhì)時，物質(zhì)通過散射和吸收對其產(chǎn)生的衰減。由于不同材料對中子的衰減能力不同，因此可以探測物質(zhì)的成分和結(jié)構(gòu)。中子束可以由反應堆、發(fā)射中子的同位素或質(zhì)子加速器中的靶產(chǎn)生。該技術具有非破壞性，已被有效地應用于具有考古意義的文物研究。
中子成像技術并非與X射線成像技術競爭，而是與其完全互補。X射線會被電子散射和吸收，因此電子層數(shù)越多的原子相互作用越強；而中子則直接與原子核相互作用。此外，這種相互作用的程度并無明顯的周期性規(guī)律，即使是同一元素的同位素，其衰減能力也可能存在顯著差異。
氫與中子相互作用非常強烈，而大多數(shù)金屬則能有效透射中子，二者之間存在著顯著的對比度，這一點尤其具有實際意義。這與X射線成像截然不同，并提供了一種有效觀察金屬容器中含氫有機物質(zhì)動態(tài)變化的方法，例如觀察發(fā)動機內(nèi)的燃料。它同樣可以用于觀察嵌入金屬結(jié)構(gòu)中的塑料密封件或潤滑劑。某些材料的衰減程度有時取決于中子的能量，例如快中子或熱中子，鐵就是這種情況。
中子射線成像是將物體置于中子束路徑上，測量投射到中子探測器上的物體陰影圖像。中子探測器通常由閃爍體和光學耦合的 CCD 或 EMCCD 相機組成。中子層析成像術更進一步，需要旋轉(zhuǎn)樣品，并在180°的角度范圍內(nèi)記錄多幅二維圖像。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建物體的三維模型。圖1展示了一個典型的系統(tǒng)設置。
▌用于中子射線照相/斷層掃描的相機解決方案
傳統(tǒng)上，CCD 一直被用作中子斷層掃描的成像相機。牛津儀器的科學成像相機系列產(chǎn)品憑借其極低的噪聲、-100°C 的冷卻能力和最高的量子效率，可提供最佳性能，是理想之選。
然而，CCD 在某些中子探測應用中存在局限性，例如實時動態(tài)過程的探測，其有效讀出速度僅為 3-5 MHz。盡管如此，由于前面提到的特性，這對于監(jiān)測靜止物體或緩慢過程仍然非常有效。
對于更快的幀速率要求，或者要執(zhí)行更快的 3D 斷層掃描（或 4D（3D + 時間）），需要采取不同的相機選擇方法。
牛津儀器的多款 sCMOS 相機均可用于斷層掃描，它具有低噪聲、目標視場角和每秒 100 幀的拍攝速率，并且在較小的感興趣區(qū)域內(nèi)拍攝速度更快。如果應用還需要單光子靈敏度，則應選擇 EMCCD 探測器。
EMCCD探測器可提供超過90%的量子效率，以及在超過30幀/秒的幀速率下對單光子的靈敏度。EMCCD增強的靈敏度和速度為實現(xiàn)更快的3D斷層掃描鋪平了道路。EMCCD的優(yōu)勢克服了系統(tǒng)固有的光學損耗。
▲EMCCD相機
圖 2 中的 QE 曲線和表 1 中列出的相機顯示了中子斷層掃描的一些可用選項。
▲圖2：部分 QE 曲線
▌應用舉例
無損檢測 (NDT)：
▲圖3：來自塔爾維爾的汞
圖 3 展示了瑞士蘇黎世國家博物館展出的著名青銅雕塑“塔爾維爾的墨丘利”的虛擬切片。借助中子斷層掃描技術，可以完全無損地研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和鑄造缺陷。由于常用的 X 射線無法穿透含鉛量高的合金，因此需要使用中子。
中子斷層掃描在瑞士保羅·謝勒研究所的 NEUTRA 裝置進行。圖片由 NEUTRA 裝置的 Eberhard H. Lehmann 提供。
現(xiàn)場測試：
圖 4 顯示了一個噴淋噴嘴，其中包含一根充滿液體的管子。為了確保質(zhì)量和功能正常，我們對噴嘴周圍的密封圈進行了現(xiàn)場（安裝后）檢查。與周圍的金屬結(jié)構(gòu)相比，橡膠和液體能為中子提供更高的對比度。
有機材料研究：
▲圖5：一只螃蟹，展示其殼內(nèi)結(jié)構(gòu)。
圖5展示了一只外形尺寸為20厘米的螃蟹，對其進行研究是為了觀察其殼內(nèi)的內(nèi)部器官。中子對有機物具有很高的對比度。
▌產(chǎn)品推薦
科學級CCD相機
科學級sCMOS相機
EMCCD相機
▌參考文獻
1.Pleinert et al., ‘Design of a New CCD-Camera Neutron Radiography Detector’, Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. A, 1997, volume 399, 382
*本篇技術應用原文出自牛津儀器科技(上海)有限公司。
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