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，闡述其在工業無損檢測、動態過程監測等場景的應用，并結合 CCD、sCMOS、EMCCD 等相機方案，說明該技術的實現與優勢。
▌中子射線成像
中子射線成像（NR，后續簡稱為中子成像）是一種有效的非破壞性成像系統，它利用能中子探測各種材料的內部結構。
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構。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構信息的信號。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鐵材料內部的氣泡或微裂紋等細節。
▌中子成像應用
中子成像和斷層掃描（三維射線成像）是檢測金屬鑄件內部結構，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（如內燃機）甚至巖石和土壤基質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分固體二氧化硅、液態水和氣相，并獲得孔隙率、孔隙率變化和粒度分布數。
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以及對特殊核材料中的裂變中子進行成像。
動態過程會給斷層掃描數據的采集帶來挑戰。這是因為通常不允許樣本在掃描過程中發生變化，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生變化的樣本中獲得良好的時空數據。
▌中子源
大多數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，例如實時動態過程的探測，其有效讀出速度僅為3-5 MHz。這對于監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，對較小感興趣區域則可實現更快的拍攝速度。
▲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 幀速率下實現的單光子靈敏度。EMCCD 的增強靈敏度可實現更快的 3D 斷層掃描，并克服系統固有的光學損耗。
▌結論
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和科學意義，可以提供有關物體內部結構和成分的詳細信息。
中子成像的原理是基于定向中子束穿過物質時，物質通過散射和吸收對其產生的衰減。由于不同材料對中子的衰減能力不同，因此可以探測物質的成分和結構。中子束可以由反應堆、發射中子的同位素或質子加速器中的靶產生。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動態變化的方法，例如觀察發動機內的燃料。它同樣可以用于觀察嵌入金屬結構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，需要旋轉樣品，并在180°的角度范圍內記錄多幅二維圖像。根據這些數據，可以構建物體的三維模型。圖1展示了一個典型的系統設置。
▌用于中子射線照相/斷層掃描的相機解決方案
傳統上，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域內拍攝速度更快。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更快的3D斷層掃描鋪平了道路。EMCCD的優勢克服了系統固有的光學損耗。
▲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部結構和鑄造缺陷。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。為了確保質量和功能正常，我們對噴嘴周圍的密封圈進行了現場（安裝后）檢查。與周圍的金屬結構相比，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，展示其殼內結構。
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的內部器官。中子對有機物具有很高的對比度。
▌產品推薦
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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