摘要

中(zhōng)子成(chéng)像(xiàng)技術在(zài)類似考古(gǔ)（古董，古生物），冶金金(jīn)屬領(lǐng)域(yù)獲得了廣泛(fàn)關(guān)注，但(dàn)其(qí)受到同步(bù)輻射(shè)光源(yuán)限製，更(gēng)有效的調(tiáo)配(pèi)好使(shǐ)用光(guāng)源(yuán)的(dí)時(shí)間是(shì)急需解(jiě)決(jué)的問題。N-Cam中(zhōng)子相機係(xì)統(tǒng)相對(duì)傳(chuán)統(tǒng)的(dí)中子相機，能在較(jiào)短的(dí)曝光(guāng)時間獲得詳(xiáng)細(xì)清(qīng)晰(xī)的(dí)圖像，是一(yī)種新型的針(zhēn)對冷(lěng)中子(zǐ)，熱(rè)中子的成像(xiàng)係統(tǒng)。N-Cam將20微(wēi)米(mǐ)厚(hòu)的Gd2O2S:Tb（Gadox）閃(shǎn)爍(shuò)體(tǐ)直接應用於像增強器的(dí)輸入窗口(kǒu)。N-Cam係(xì)統在英(yīng)國(guó)盧瑟(sè)福.阿普爾頓國(guó)家(jiā)實(shí)驗室散裂中子源(yuán)設(shè)備進(jìn)行(háng)了(liǎo)實(shí)驗，在(zài)75mm靶麵(miàn)視(shì)場，5s曝光(guāng)情況下(xià)獲(huò)得(dé)了良好的(dí)對比度效果(guǒ)圖(tú)。此篇(piān)分析文章通過(guò)相機模(mó)式傳遞函數法(fǎ)（MTF）在(zài)多(duō)個(gè)位置對空間(jiān)分辨率進(jìn)行了(liǎo)方向性(xìng)依賴的(dí)分析。邊(biān)緣效應在X，Y方(fāng)向(xiàng)都(dū)可(kě)以(yǐ)觀(guān)察(chá)到，但是Y方向更為(wéi)明顯(xiǎn)。同(tóng)時此(cǐ)次實(shí)驗(yàn)在中(zhōng)子通量為2*107n/cm2/s的(dí)情(qíng)況下，600s內(nèi)測(cè)量了幾個毫(háo)米空(kōng)間尺(chǐ)度下350個(gè)灰(huī)階的(dí)變化(huà)。最後基(jī)於平場圖(tú)像分析得(dé)出(chū)係統的(dí)量(liáng)子效率(shuài)約(yuē)為16%。

前言介(jiè)

中子成像(xiàng)由於(yú)是一種(zhǒng)無損(sǔn)檢(jiǎn)測(cè)技術(shù)（NDT/NDE），被廣(guǎng)泛應用於汽(qì)車，航天(tiān)航空以(yǐ)及學術界領域^【1.2.3】。隨著(zhuó)中(zhōng)子(zǐ)技(jì)術(shù)的不(bù)斷成熟發展(zhǎn)進步，中(zhōng)子(zǐ)成像(xiàng)正逐(zhú)漸成(chéng)為一(yī)種標準檢測(cè)觀(guān)察(chá)技(jì)術(shù)。

中子成(chéng)像(xiàng)常(cháng)和(hé)X射(shè)綫成像比較(jiào)，這是因(yīn)為這(zhè)兩種技術(shù)非常(cháng)相(xiāng)似，區別隻(zhī)是(shì)在(zài)於電離(lí)輻(fú)射(shè)的(dí)產生(shēng)和衰減的方(fāng)式(shì) ^{【3，4】}。X射綫與(yǔ)材料的電子雲(yún)相(xiāng)互作(zuò)用過(guò)程中(zhōng)密度較大的(dí)材料或較重(zhòng)的(dí)元(yuán)素(sù)衰減(jiǎn)。中(zhōng)子由於(yú)不(bù)帶有電荷因此與原子核相(xiāng)互作用(yòng)，同(tóng)時與(yǔ)較輕的(dí)元素(sù)作用(yòng)衰減(jiǎn)得更快，故中(zhōng)子可(kě)以(yǐ)拍攝到更(gēng)微(wēi)觀的(dí)結(jié)構(gòu)。中子成(chéng)像(xiàng)技術包(bāo)括(kuò)頻閃觀(guān)測，能量選擇(zé)成像(xiàng)和(hé)三維層析成像等。

中(zhōng)子(zǐ)成(chéng)像(xiàng)作為一種無(wú)損檢(jiǎn)測技(jì)術(shù)的主要(yào)局(jú)限性之一是高通量，高準直性(xìng)的(dí)中子(zǐ)源(yuán)很難(nán)獲(huò)得同時(shí)成(chéng)本高(gāo)。在過去(qù)的十(shí)多年(nián)裏(lǐ)，人(rén)們一(yī)直(zhí)在(zài)努(nǔ)力使(shǐ)工業界(jiè)和學術(shù)界更容易使用中子(zǐ)成(chéng)像技術(shù)^{【3，4，5，6】}。其(qí)中包(bāo)括(kuò)加強(qiáng)相關研究項(xiàng)目，改進中子研(yán)究反(fǎn)應(yīng)堆及(jí)其為(wéi)相關(guān)領域(yù)提供(gōng)更(gēng)多資(zī)金，以及將這項(xiàng)技(jì)術(shù)引(yǐn)入(rù)新產(chǎn)業等(děng)。增強(qiáng)型Gadox-sCMOS中子相(xiāng)機（N-Cam）的研(yán)製增(zēng)強(qiáng)了(liǎo)中子(zǐ)成像設備的可行性（高(gāo)靈敏(mǐn)度，良好(hǎo)空(kōng)間分辨率，更快(kuài)速(sù)的(dí)積分時間）。同時(shí)它還(huán)為低通(tōng)量反(fǎn)應(yīng)堆提供了(liǎo)實(shí)驗(yàn)可能，其(qí)可以保證(zhèng)低(dī)通量條件下的(dí)中子成像(xiàng)。中子散裂源（ISIS）以及(jí)和μ光源的成形譜儀（IMAT）裝(zhuāng)置在(zài)此次實驗中給樣(yàng)品提(tí)供(gōng)了相對穩定的(dí)中(zhōng)子束(shù)流(liú)^【7】。本(běn)篇應用報(bào)告(gào)通(tōng)過此套設備表(biǎo)征(zhēng)N-Cam在(zài)不同工(gōng)作模式下的性(xìng)能。

1.實驗與分(fēn)析(xī)方法

探(tàn)測器部分

N-Cam探測器部分(fēn)包含一(yī)個(gè)厚度為20 µm，密度為(wéi)7.3mg/cm2的(dí)Gadox閃爍體同時(shí)具有(yǒu)75mm靶(bǎ)麵的有效(xiào)探測區域(yù)。一個(gè)厚(hòu)度(dù)為1mm的發(fā)黑鋁(lǚ)材(cái)料（防止低(dī)能量X射綫(xiàn)幹(gān)擾，類(lèi)似(sì)X射綫(xiàn)相(xiāng)機防止(zhǐ)可(kě)見光(guāng)的鈹窗）被放置(zhì)在Gadox閃(shǎn)爍體前(qián)端2.7mm處(chǔ)，這(zhè)樣(yàng)就(jiù)使待(dài)測對(duì)象(xiàng)與Gadox閃(shǎn)爍(shuò)體之(zhī)間的最小距離為3.7 mm。Gadox閃(shǎn)爍體(tǐ)直(zhí)接應用(yòng)於(yú)Photek 的(dí)MCP175像增強(qiáng)器的(dí)光纖輸入(rù)窗(chuāng)口(kǒu)前端(duān)。光纖(xiān)輸入(rù)的數值孔(kǒng)徑(jìng)（NA）為1.0，保證了(liǎo)閃爍體(tǐ)光的高收(shōu)集效率。典(diǎn)型(xíng)的中子和(hé)閃爍體(tǐ)材料(liào)互(hù)相作(zuò)用(yòng)會產(chǎn)生30kev的內部(bù)電(diàn)子沉積^{【8，9，10】}，從而在(zài)閃(shǎn)爍體(tǐ)的平(píng)均(jūn)電子路徑上會(huì)形成1200個光子的計(jì)數。大約32%的光信(xìn)號(hào)會通過光纖(xiān)窗口傳(chuán)輸到光(guāng)電陰極。同時在光(guāng)纖窗(chuāng)口的(dí)內(nèi)表(biǎo)麵沉積的(dí)S20光陰極在閃爍(shuò)體545nm發(fā)射(shè)峰位置提供(gōng)了10%的量(liáng)子(zǐ)效(xiào)率。通過上(shàng)述的計(jì)算(suàn)得(dé)出，每吸收(shōu)一(yī)個中子，在像增強器端會產生38個光電(diàn)子；這些產生(shēng)的(dí)光(guāng)電(diàn)子會在光陰極(jí)和(hé)微通(tōng)道(dào)板之間的(dí)300um空間(jiān)，通過一個200v的(dí)電(diàn)壓(yā)加速(sù)。微通道(dào)板(bǎn)MCP是(shì)一個(gè)有(yǒu)數(shù)百(bǎi)萬(wàn)個孔的薄玻璃(lí)板(bǎn)，可以(yǐ)用來放大電子信號(hào)^【11】。N-Cam中子相(xiāng)機(jī)係統配置有一(yī)級MCP,該MCP具(jù)有直(zhí)徑為12um間距(jù)為(wéi)15um的(dí)陣列孔(kǒng)，孔(kǒng)徑比L:D是60：1。MCP的增(zēng)益是(shì)由電壓控製(zhì)的，對於大(dà)多(duō)數(shù)測(cè)試(shì)設置(zhì)為+900v。通(tōng)過(guò)MCP放(fàng)大後的光(guāng)電子通(tōng)過5.5kv的加速(sù)電場轟(hōng)擊(jī)P46熒(yíng)光(guāng)屏並輸出(chū)成像。在(zài)上述的電壓(yā)增(zēng)益過(guò)程(chéng)中(zhōng)，增(zēng)強(qiáng)器的總(zǒng)光增益(yì)可(kě)達(dá)10⁴。

高壓模(mó)塊HVPS以(yǐ)及(jí)門控控製器(qì)GCU集成(chéng)在相機(jī)係(xì)統內部(bù)，用雙層3.2mm厚(hòu)柔性硼材料包裹以防止(zhǐ)中子(zǐ)對電(diàn)路的(dí)幹擾(rǎo)。同(tóng)時(shí)Photek使用GCU去(qù)控製(zhì)50ns門(mén)控所需要(yào)的高壓(yā)脈衝電源(yuán)。光電(diàn)陰極的電壓開(kāi)關是(shì)由(yóu)光陰極(jí)與(yǔ)MCP之間(jiān)的-50v偏(piān)置電壓(yā)控製，以(yǐ)防止無(wú)效光電子被放大(dà)。像增(zēng)強器模塊(kuài)可以(yǐ)在(zài)50ns尺度進(jìn)行通斷(duàn)操(cāo)作。門(mén)控器GCU通過(guò)USB連接(jiē)到數據采集器(qì)以及電(diàn)腦上，這樣(yàng)可(kě)以通(tōng)過(guò)軟件控(kòng)製MCP增(zēng)益，光電(diàn)陰(yīn)極(jí)開關，門(mén)控持續(xù)時(shí)間(jiān)以(yǐ)及(jí)延遲(chí)時(shí)序控(kòng)製(zhì)。利用(yòng)中子源(yuán)成形(xíng)譜儀IMAT的信(xìn)號和GCU模塊(kuài)進行(háng)同(tóng)步從而(ér)來(lái)實(shí)現不同(tóng)的(dí)采(cǎi)集模式(shì)。

探(tàn)測器記(jì)錄(lù)

N-Cam探測(cè)器(qì)的成像部分集成的是(shì)製(zhì)冷型(xíng)sCMOS相機(jī)，這台相機具(jù)有2048x2048陣(zhèn)列格(gé)式(shì)，同時(shí)單(dān)像素尺寸為6.5μm。 此(cǐ)台相機(jī)滿畫(huà)幅(fú)情況下最(zuì)快成像速度是35fps，通(tōng)過(guò)選(xuǎn)擇(zé)區域(yù)ROI可以(yǐ)獲(huò)得(dé)更(gēng)高(gāo)的幀頻。在(zài)此次實(shí)驗(yàn)中成像速(sù)度介(jiè)於0.1fps和(hé)30fps之間(jiān)。相(xiāng)機的(dí)滿阱容(róng)量為30000e-，讀(dú)出(chū)噪聲(shēng)＜2e-，16bit數位動(dòng)態範圍。同時暗(àn)噪聲以(yǐ)及(jí)其他噪聲(shēng)可以通過(guò)-15℃的製(zhì)冷進行(háng)大幅(fú)度削(xiāo)弱。相機(jī)通訊(xùn)采用USB3.0,並有專業的(dí)控(kòng)製(zhì)軟件。

使用一個(gè)45度(dù)的(dí)反射(shè)鏡將像增(zēng)強器的輸出(chū)光反射(shè)到相(xiāng)機(jī)口成像(xiàng)，90度的(dí)探(tàn)測(cè)設計可以有效減少中(zhōng)子(zǐ)束流(liú)對相(xiāng)機的幹(gān)擾。為了進一步防止(zhǐ)粒(lì)子幹擾(rǎo)以(yǐ)及(jí)輻(fú)射(shè)損(sǔn)傷，在相機外還放置了(liǎo)雙(shuāng)層(céng)3.2mm厚的(dí)柔性硼材料(liào)作為中(zhōng)子(zǐ)屏(píng)蔽(bì)防(fáng)護層。75mm的(dí)探(tàn)測成(chéng)像區(qū)域(yù)通過Schneider-Kreuznach Componon f2.8/40mm 的鏡頭(tóu)成(chéng)像在(zài)上述的(dí)sCMOS相(xiāng)機上。同時相機還被安裝在(zài)一(yī)個(gè)可(kě)以調整聚(jù)焦位(wèi)置的平移(yí)台上。在(zài)實(shí)驗(yàn)中我們(mén)還通(tōng)過鏡頭延長環前(qián)移相機靶(bǎ)麵(miàn)獲得了33mm的視(shì)場(cháng)，有(yǒu)效的分辨(biàn)率(shuài)在(zài)16.3um。

圖像處(chǔ)理

使(shǐ)用(yòng)ImageJ軟(ruǎn)件對圖像記(jì)錄並進行(háng)處理，對每(měi)一(yī)個數據組，平均暗場信號，平場(cháng)校正信(xìn)號(hào)以(yǐ)及(jí)樣(yàng)品成像(xiàng)進行(háng)編(biān)譯。首先從(cóng)一組(zǔ)參考的(dí)背(bèi)景(jǐng)圖中(zhōng)獲取(qǔ)出(chū)平(píng)均背景(jǐng)信號；為(wéi)了(liǎo)估算(suàn)出(chū)平場信號，我們從(cóng)每一(yī)個(gè)平場信號(hào)中(zhōng)減(jiǎn)去(qù)平均(jūn)背(bèi)景，平場(cháng)信號(hào)減去背景而後進(jìn)行歸一化(huà)和(hé)平均處(chǔ)理這樣就(jiù)可以得到平均平(píng)場校(xiào)正(zhèng)信號；為(wéi)了得(dé)到有(yǒu)效(xiào)的目(mù)標(biāo)信號，對所(suǒ)有的目(mù)標圖像(xiàng)進(jìn)行背(bèi)景扣除(chú)，歸一(yī)化處理(lǐ)而(ér)後除(chú)以平均平場信號。調整(zhěng)對象堆棧(zhàn)的大小(xiǎo)可以改(gǎi)變(biàn)相(xiāng)機曝(pù)光時間。通(tōng)過將(jiāng)平(píng)均目(mù)標(biāo)圖(tú)像(xiàng)除(chú)以(yǐ)平(píng)場(cháng)信號，這樣可以使增(zēng)益(yì)帶來的(dí)變(biàn)化以及固定(dìng)模(mó)式噪聲(shēng)最小化(huà)^{【7，12】}。最後(hòu)處理(lǐ)得(dé)到(dào)的圖(tú)像(xiàng)再(zài)進一步分析。

空間分辨(biàn)率(shuài)

為(wéi)了標定中子相(xiāng)機係(xì)統的空(kōng)間分(fēn)辨率，我(wǒ)們(mén)從the Paul Scherrer Institute (PSI)實驗中心(xīn)取得一(yī)組(zǔ)分辨率標定(dìng)圖。PSI提(tí)供(gōng)了三(sān)組(zǔ)不斷減小的綫(xiàn)對(duì)組(zǔ)圖(200-1000um;25-150um;5-25um)以及用於模(mó)式傳輸函數MTF分析的3°的傾角(jiǎo)盒。通過(guò)以上(shàng)工(gōng)具對(duì)75mm以及(jí)30mm視場進行了極限分辨(biàn)率分(fēn)析(xī)。

對於(yú)75mm的(dí)視(shì)場(cháng)，IMAT中子源(yuán)的針(zhēn)孔設置為40mm，產(chǎn)生了5x10⁶n/cm²/s的中子(zǐ)束流，同時中(zhōng)子源輸(shū)出孔徑比為245：1。實驗中(zhōng)在0.2fps情(qíng)況下采(cǎi)集了(liǎo)60組平(píng)場(cháng)信號以(yǐ)及(jí)60組背(bèi)景信(xìn)號，單(dān)大組耗時300s。分(fēn)辨(biàn)率標定圖緊貼(tiē)像增(zēng)強器(qì)的前(qián)方中央(yāng)位(wèi)置，也記(jì)錄(lù)了60組(zǔ)。為(wéi)了(liǎo)評(píng)估X，Y軸(zhóu)的依賴，分辨(biàn)率(shuài)圖(tú)也被(bèi)放置在(zài)了(liǎo)像(xiàng)增(zēng)強器(qì)邊緣位置的(dí)3，6，9以及(jí)12點方(fāng)向(xiàng)，每個位置被(bèi)記錄(lù)了(liǎo)60幀。對於30mm視(shì)場實驗，記錄了30張平(píng)場(cháng)以及(jí)分辨率(shuài)圖，其中(zhōng)分(fēn)辨率圖(tú)隻是放在像增強器(qì)中心(xīn)進(jìn)行了測試(shì)。

處理圖(tú)像後(hòu)，在(zài)第(dì)一(yī)和(hé)第二組(zǔ)綫對（25-1000um）成(chéng)像中(zhōng)重(zhòng)現出多條綫(xiàn)陣(zhèn)的(dí)輪(lún)廓。同(tóng)時對於(yú)不(bù)同綫(xiàn)對(duì)的(dí)尺(chǐ)寸用方程(chéng)二(èr)進(jìn)行對(duì)比度計(jì)算。計算圖像的MTF模(mó)式傳(chuán)遞函(hán)數邊(biān)緣效(xiào)應，使用了ImageJ軟件(jiàn)插件，針對邊(biān)緣(yuán)ROI區(qū)域(yù)進(jìn)行定義分析(xī)。

靈敏度(dù)

基(jī)於閃爍體(tǐ)的中(zhōng)子(zǐ)成(chéng)像係統的(dí)靈(líng)敏度(dù)很(hěn)難(nán)評(píng)估。根據(jù)最(zuì)初(chū)原(yuán)理(lǐ) ，閃(shǎn)爍屏(píng)的(dí)外部(bù)量子(zǐ)效(xiào)率(shuài)如下：

其中(zhōng)nc項代表是中(zhōng)子捕獲(huò)效率，ice項表示(shì)捕(bǔ)獲產(chǎn)生(shēng)電子的效(xiào)率(shuài)。本(běn)次實驗(yàn)使用的Gadox閃爍體(tǐ)，理論上有(yǒu)85%的(dí)中(zhōng)子可(kě)以被捕(bǔ)獲，同時內(nèi)部電(diàn)子(zǐ)轉換(huàn)效(xiào)率(shuài)85%，故(gù)得出理論效率(shuài)為47%。其(qí)中捕獲概率(shuài)是(shì)通過(guò)NIST數據中(zhōng)心捕獲效率(shuài)以及散射(shè)計算得(dé)出；IMAT中(zhōng)子(zǐ)成(chéng)形(xíng)光譜的單(dān)幀(zhēn)白光能(néng)量(liáng)譜圖參考了Kochelmann等人(rén)的相關文(wén)獻^【7】。

在實(shí)際過(guò)程(chéng)中，由於(yú)探(tàn)測器(qì)的非(fēi)均(jūn)匀(yún)性(xìng)，光(guāng)收(shōu)集(jí)效率，每一次(cì)內(nèi)部中(zhōng)子(zǐ)沉(chén)積(jī)引(yǐn)起(qǐ)電(diàn)子(zǐ)不確定性以(yǐ)及閃(shǎn)爍體內部(bù)光產(chǎn)額，所(suǒ)以DQE(探測器(qì)量子效率)明顯小於(yú)QE(理論效(xiào)率)。其(qí)中中(zhōng)子(zǐ)作用閃(shǎn)爍體的能(néng)量沉積就(jiù)可以(yǐ)在接近0keV（這個(gè)能(néng)量有(yǒu)大(dà)概率從閃(shǎn)爍體(tǐ)表(biǎo)麵產生和逃逸(yì)）到(dào)大於100keV(在(zài)閃爍(shuò)體內(nèi)移動)。此(cǐ)部分，我們嘗試(shì)通過分(fēn)析(xī)暴露在(zài)全(quán)白光(guāng)束的(dí)信號來(lái)估(gū)算量子(zǐ)效率(shuài)DQE，同(tóng)時(shí)也考(kǎo)慮到係(xì)統內部(bù)的光路(lù)係統(tǒng)會引(yǐn)起相鄰像素之(zhī)間重復(fù)計算。對於(yú)一個均匀(yún)的(dí)中(zhōng)子(zǐ)通量源(yuán)，每(měi)個(gè)像(xiàng)素(sù)點的(dí)平均強(qiáng)度標記(jì)為(wéi)η_FF，每(měi)個像素(sù)點(diǎn)的(dí)平均偏(piān)差σ_{FF ,}在(zài)一定區(qū)域(yù)的探測器中(zhōng)對捕獲(huò)的中子產生的內轉換電強(qiáng)度進(jìn)行(háng)泊(bó)鬆分布函(hán)數表征如(rú)下方(fāng)程(chéng)：

其(qí)中N(x)表(biǎo)征的是(shì)在x大小(xiǎo)區域內產生信(xìn)號的中子數(shù)量，F_N是(shì)中子(zǐ)通量(liáng)，T是(shì)積(jī)分(fēn)時(shí)間(jiān)，r是相(xiāng)關的標度長度，可以(yǐ)認為是中子(zǐ)源(yuán)產(chǎn)生(shēng)的光的半徑(jìng)。通過對(duì)得到(dào)的(dí)全白(bái)光平場數(shù)據針(zhēn)對(duì)不同(tóng)Binning進(jìn)行整合處理，而(ér)後用(yòng)方程4擬合得(dé)到(dào)DQE和r值(zhí)。在(zài)標準(zhǔn)的(dí)像增強器設(shè)置(zhì)情況下，1s積(jī)分時間，獲得(dé)了IMAT光源（80mm，中子通量(liáng)2x10⁷n/cm2/s）的平場數據。在連(lián)續成(chéng)像模式(shì)下(xià)，采(cǎi)集(jí)了150幀平(píng)場的(dí)參考圖(tú)像，同時在(zài)之(zhī)前又采集(jí)了5幀信號圖像。數(shù)據的矯正處(chǔ)理(lǐ)通過上述提到的方程(chéng)1進行(háng)處理。

對比度(dù)波(bō)動(dòng)分(fēn)析CNR-核(hé)磁共(gòng)振的重(zhòng)要(yào)指標(biāo)

對比(bǐ)度(dù)波(bō)動(dòng)分析CNR是衡(héng)量成(chéng)像係統灰度(dù)分辨(biàn)率的指(zhǐ)標。為了測(cè)量這一個(gè)對(duì)比度(dù)指標，使用了(liǎo)各10個不(bù)同(tóng)厚度的C101銅以及(jí)082-T651級別的鋁(lǚ)材料(liào)（從(cóng)5mm-14mm，每(měi)1mm遞增(zēng)），每(měi)種材料(liào)的(dí)截麵都是(shì)5mm*5mm。成(chéng)像使用IMAT光(guāng)源針孔束(shù)結構，其中針(zhēn)孔為80mm，孔徑比125：1，產(chǎn)生(shēng)中(zhōng)子通量為(wéi)2x10⁷n/cm²/s。相機設置(zhì)積分(fēn)時(shí)間(jiān)為(wéi)1s，達到(dào)了50%的(dí)像素滿阱(jǐng)強度。像增強模塊(kuài)MCP電壓(yā)設置(zhì)為(wéi)900v，熒光屏(píng)電(diàn)壓(yā)為5500v。在模型(xíng)拍照(zhào)前後拍(pāi)攝(shè)兩(liǎng)組平場(cháng)圖(tú)像，每組積(jī)分(fēn)1s。同(tóng)時在IMAT光源關閉且衰減(jiǎn)器放(fàng)置情況(kuàng)下(xià)獲得同樣(yàng)曝光(guāng)時(shí)間(jiān)的(dí)背景(jǐng)圖像。同時獲得(dé)模(mó)型材(cái)料(liào)的圖(tú)像。

所有的平場(cháng)圖(tú)像，背景(jǐng)圖(tú)像(xiàng)以及(jí)模型(xíng)圖(tú)像都對(duì)像素(sù)靶麵(miàn)39872個像(xiàng)素(sù)區域進行了歸(guī)一化處理，以校正(zhèng)曝(pù)光期間的光(guāng)束強度和增(zēng)益變化(huà)。從得(dé)到(dào)的圖(tú)像進行分析(xī)，20個不(bù)同對比(bǐ)度材(cái)料的截麵的邊(biān)緣附近不(bù)均匀，假設是由(yóu)於邊(biān)緣效(xiào)應(yīng)，包括光束發散(sàn)，中(zhōng)子散(sàn)射(shè)和沿著(zhuó)每(měi)個截麵之間的尖銳邊(biān)界的(dí)衍(yǎn)射而引起的。對於(yú)上(shàng)述(shù)提到的5 mm正(zhèng)方(fāng)形(xíng)部分的模型(xíng)材(cái)料，在其中心(xīn)附近選(xuǎn)擇(zé)32 x 64像素(sù)進(jìn)行ROI分析，並(bìng)計算像(xiàng)素(sù)值的(dí)平均值和(hé)標準(zhǔn)偏差。相鄰兩(liǎng)段（A和(hé)B）之(zhī)間的(dí)CNR定(dìng)義為

√  ² + 

2結果(guǒ)分析

空間分辨率

根(gēn)據圖三得到(dào)的(dí)是300s積(jī)分情況(kuàng)下，75mm視(shì)場與(yǔ)30mm視場(cháng)的中心成像區域(yù)的(dí)處(chǔ)理後的(dí)圖像，利(lì)用ImageJ測(cè)得(dé)的綫輪(lún)廓，我們估算了30mm和75mm視場(cháng)下(xià)，N-cam係統的(dí)極限分(fēn)辨(biàn)率(shuài)（5%）分(fēn)別是(shì)12.5lp/mm以及10lp/mm 。對於有(yǒu)效像素尺寸為(wéi)38um的(dí)75mm視(shì)場(cháng)，同時(shí)進行采樣處理(lǐ)（Nyquist），得到(dào)的極(jí)限(xiàn)分辨率為13lp/mm，和MCP175的(dí)16lp/mm分(fēn)辨率結(jié)合分(fēn)析，10lp/mm屬於(yú)合(hé)理(lǐ)的數(shù)據(jù)。對於有效像素尺(chǐ)寸(cùn)16um的(dí)30mm視場(cháng)，采樣(yàng)處(chǔ)理(lǐ)後(hòu)極限(xiàn)是30lp/mm，與16lp/mm像增強器(qì)結(jié)合得到12.5lp/mm與(yǔ)理(lǐ)論(lùn)相差較(jiào)大(dà)，當然這個數(shù)據還有其他我(wǒ)們沒(méi)有(yǒu)考慮(lǜ)到(dào)的影(yǐng)響因素，比(bǐ)如(rú)我(wǒ)們(mén)需(xū)要更詳(xiáng)細的(dí)測量來(lái)確(què)定熒光(guāng)屏對分辨(biàn)率的影響。

如圖5所(suǒ)示，將曝(pù)光時(shí)間(jiān)從300秒(miǎo)減少到30秒不(bù)會影響測(cè)量的(dí)對(duì)比度或計(jì)算(suàn)的MTF曲(qū)綫。將(jiāng)曝光時(shí)間減少到30秒以下(xià)，測量對(duì)比(bǐ)度和計(jì)算的(dí)MTF曲綫的趨(qū)勢(shì)相(xiāng)同，但引入了(liǎo)更多(duō)的噪(zào)聲，如(rú)圖(tú)6所(suǒ)示。然(rán)而，MTF曲綫(xiàn)小於5%的點(diǎn)保(bǎo)持在9.5–10.5 lp/mm之間 。

通過(guò)評(píng)估不同位置的平均對比(bǐ)度，x，y方向的(dí)對(duì)比度可(kě)以(yǐ)分(fēn)辨出區(qū)別如圖4所(suǒ)示。值得注意的(dí)是，雖然(rán)平(píng)均對比度在X方(fāng)向上有(yǒu)1.1%的微小(xiǎo)變化，在(zài)Y方(fāng)向上有(yǒu)3.7%的(dí)變(biàn)化。在(zài)計(jì)算(suàn)的MTF曲綫(xiàn)中也觀察到這(zhè)種(zhǒng)XY依(yī)賴(lài)關(guān)係，如圖(tú)7所示。這可(kě)能是(shì)由幾個(gè)因素(sù)造成的(dí)，需(xū)要(yào)進一(yī)步研(yán)究。最(zuì)終(zhōng)計(jì)算(suàn)出的MTF曲綫（圖8）是通過(guò)取中心(xīn)處(chǔ)的X和Y MTF曲綫的平均(jūn)值來計(jì)算(suàn)的(dí)。

通過分析目標成像前後(hòu)的平(píng)場像(xiàng)，對圖像(xiàng)的(dí)保留率進行評估。調(tiáo)整圖(tú)像對比度(dù)後，可(kě)以觀察到分辨(biàn)率圖(tú)邊(biān)緣的輪廓。通過測量(liáng)整個區(qū)域(yù)的綫(xiàn)剖麵，可(kě)以觀察到(dào)平均(jūn)強度(dù)從1.014下降到1.011，表示在(zài)2.5小時內下(xià)降了(liǎo)0.3%，並且假設是綫性(xìng)關(guān)係(xì)，因(yīn)此(cǐ)這(zhè)個變(biàn)化可以(yǐ)忽(hū)略(lüè)不計。

DQE探測器量子(zǐ)效(xiào)率(shuài)

對成(chéng)像(xiàng)區(qū)域的24mm*24mm進(jìn)行(háng)平場成(chéng)像區域進行校正, 曝光時間T=5s,中子流量F_N = 2x10⁷n/cm²/s , 並對此區域內(nèi)使用泊鬆(sōng)分布平(píng)場進(jìn)行了矯正。 通過(guò)方(fāng)程4進行擬合，而後估(gū)算得(dé)到的DQE=16.1%,中子產生的(dí)光(guāng)半(bàn)徑(jìng)r=81um。低(dī)於理(lǐ)論結(jié)果的(dí)47%，這是(shì)由於(yú)閃(shǎn)爍(shuò)體(tǐ)表麵(miàn)的低能量損耗，探(tàn)測(cè)器(qì)不(bù)均匀性(xìng)以(yǐ)及(jí)儀(yí)器其(qí)他(tā)噪聲的(dí)綜合(hé)影(yǐng)響(xiǎng)。r=81um表示距離(lí)像素邊(biān)緣(yuán)一(yī)定距離的(dí)中(zhōng)子(zǐ)互相作(zuò)用將對(duì)相(xiāng)機信號產生影響。考慮到基(jī)於熒(yíng)光屏的(dí)光(guāng)散(sàn)射(shè)，這個(gè)數值並(bìng)不奇(qí)怪(guài)，並且和(hé)上(shàng)述(shù)的MTF測(cè)量(liáng)值一致，在2.5lp/mm情況下，50%對(duì)比(bǐ)度，200um綫(xiàn)寬(kuān)，大致(zhì)為2r。未來(lái)將研究Gadox閃爍(shuò)體的替(tì)代(dài)材料，以(yǐ)確(què)定它們(mén)對(duì)r的影(yǐng)響和係統的極限(xiàn)分(fēn)辨率(shuài)。

對比(bǐ)度波動(dòng)

圖(tú)10給(gěi)出(chū)了(liǎo)600s積(jī)分(fēn)情況下對(duì)比度(dù)分析成像(xiàng)組(zǔ)的(dí)平(píng)場對比度(dù)圖像。其中如像(xiàng)圖10b所(suǒ)示，有四(sì)個長方形的(dí)模塊(kuài)以及一個(gè)鋁製(zhì)支(zhī)架，兩(liǎng)個(gè)鈦材(cái)料(liào)螺絲(sī)組成(chéng)。每一個長方(fāng)形的(dí)尺(chǐ)寸(cùn)為5mm寬，25mm長，銅(tóng)材(cái)料(liào)（左(zuǒ)側10a）和鋁材料(liào)（右側10c）兩(liǎng)大組中(zhōng)分別(bié)是以(yǐ)1mm遞增(zēng)的(dí)5-9mm以(yǐ)及10-14mm的(dí)厚度(dù)。

圖11通(tōng)過(guò)方程5分析(xī)測量(liáng)了不(bù)同厚(hòu)度情況(kuàng)下的透過(guò)噪聲(shēng)曲綫(xiàn)。 通過(guò)圖11可以(yǐ)得(dé)出(chū)1.0cm與1.1cm厚度鋁(lǚ)材(cái)料之(zhī)間(jiān)得(dé)CNR值是(shì)2.6。相同厚度的(dí)銅材料(liào)CNR是11.4。假定CNR=1的(dí)情況(kuàng)是最小可以檢測(cè)的(dí)分(fēn)辨(biàn)率(shuài)對比度(dù)，我們發現對於鋁的可探(tàn)測的最(zuì)小對比度是0.26%，銅是(shì)0.3%，表明(míng)圖像(xiàng)中的灰階值應(yīng)該是(shì)350。這個值同時也取(qǔ)決(jué)於中(zhōng)子束(shù)特(tè)性(xìng)，樣品的(dí)成分(fēn)以及幾(jī)何結構(gòu)。

結(jié)論(lùn)

N-cam在(zài)75mm視(shì)場(cháng)下(xià)分(fēn)辨率為10lp/mm（300s曝光(guāng)測(cè)試(shì)時(shí)間）。曝光(guāng)時間減小(xiǎo)到30s以(yǐ)上(shàng)對分(fēn)辨(biàn)率幾(jī)乎(hū)沒有影響(xiǎng)。將(jiāng)曝(pù)光時間減小(xiǎo)到30s以下時，分(fēn)辨率(shuài)也在(zài)10lp/mm，但會影響到(dào)分辨率。因(yīn)此，采集300s積(jī)分情況下的(dí)平(píng)場(cháng)，暗(àn)場(cháng)圖(tú)像，采集360度旋轉的成像(xiàng)，一(yī)次斷(duàn)層(céng)掃描成像最快需要(yào)通過5次(cì)拍(pāi)攝歷時40分鐘或(huò)者(zhě)30次拍攝耗時3個小(xiǎo)時(shí)。N-cam在(zài)測試過(guò)程中顯示了x,y方向的(dí)依賴性，其中y方向對(duì)圖(tú)像(xiàng)的影(yǐng)響(xiǎng)大(dà)於x方向(xiàng)，但是其(qí)中的原(yuán)因(yīn)需要進一(yī)步的(dí)研究(jiū)確(què)定。同時係統的量(liáng)子(zǐ)效率得出是16.1%，閃爍體的厚度(dù)會(huì)影響(xiǎng)量子(zǐ)效率(shuài)，同(tóng)時(shí)也(yě)會影響小(xiǎo)視場情(qíng)況(kuàng)下的(dí)分(fēn)辨率，這(zhè)一(yī)點也有(yǒu)待(dài)研究。然而，對於(yú)75mm的(dí)大(dà)視場的(dí)影響(xiǎng)可(kě)以忽(hū)略(lüè)不計,與理論值近似，這(zhè)主(zhǔ)要是(shì)因為(wéi)大視場情況下(xià)的(dí)有效像素點(diǎn)比較(jiào)大所(suǒ)以影(yǐng)響較小。

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相(xiāng)關產品(pǐn)

Photek公(gōng)司(sī)最(zuì)新推(tuī)出的N-Cam中(zhōng)子相(xiāng)機(jī)係(xì)統是一款(kuǎn)具有(yǒu)高(gāo)靈敏(mǐn)度，高分辨率(shuài)同(tóng)時易於(yú)使用(yòng)的(dí)中(zhōng)子相機. N-Cam 可實現快速的層析中子成(chéng)像(xiàng)，動態(tài)成像(xiàng)攝像，特(tè)定(dìng)能量(liáng)波段(duàn)成像(xiàng)以(yǐ)及支(zhī)持單(dān)中(zhōng)子(zǐ)計數(shù)模式(shì). 使(shǐ)用N-Cam相機，可(kě)以在不犧牲分辨率(shuài)和(hé)成(chéng)像質量的(dí)基礎上(shàng)顯(xiǎn)著(zhù)縮(suō)短(duǎn)采集時間(jiān)。

同時(shí)N-Cam是一(yī)種(zhǒng)新型(xíng)的(dí)像增(zēng)強型中(zhōng)子成(chéng)像係統(tǒng)，該(gāi)係(xì)統(tǒng)將閃(shǎn)爍(shuò)體Gadox層直接(jiē)沉(chén)積在像增(zēng)強輸入(rù)模(mó)塊。此像增(zēng)強(qiáng)模塊(kuài)的應用提(tí)供了(liǎo)更高的靈敏度(dù)以及出色(sè)的空間(jiān)分辨率(shuài)，積分時(shí)間更(gēng)短，同(tóng)時(shí)提高(gāo)了信噪比。N-Cam具(jù)有(yǒu) 低至50ns門(mén)控單元(yuán)，提供(gōng)精(jīng)確的門控(kòng)時間(jiān)以於(yú)飛行時間能量質(zhì)譜(pǔ)分析。標準配置(zhì)的N-Cam中子(zǐ)相機(jī)配(pèi)備(bèi)420萬像(xiàng)素(sù)的(dí)製冷型sCMOS相機和一個直徑(jìng)為75mm的像增(zēng)強器視場(cháng)，可以(yǐ)提(tí)供(gōng)在(zài)大(dà)於10 lp/mm分(fēn)辨率(shuài)基礎(chǔ)下進行(háng)高速(sù)或特(tè)定(dìng)能(néng)量的x射(shè)綫成(chéng)像。

其(qí)他視場大(dà)小，比如(rú)150mm 像(xiàng)增強可(kě)選，聯係先鋒科(kē)技(jì)了(liǎo)解(jiě)更多(duō)關於Photek的(dí)標準(zhǔn)和定製的(dí)解決方(fāng)案(àn)，為您的高(gāo)能成像提供(gōng)更(gēng)多可能. 根據不同視(shì)場探測(cè)器有(yǒu)一(yī)係列可供選(xuǎn)擇的(dí)定製方(fāng)案！

N-Cam具(jù)有(yǒu)高靈(líng)敏(mǐn)度(dù)，同(tóng)時(shí)軟件(jiàn)易(yì)於使(shǐ)用，從(cóng)而有助於顯(xiǎn)著減(jiǎn)少圖像(xiàng)采(cǎi)集時(shí)間，同時(shí)保(bǎo)持良好(hǎo)的(dí)空(kōng)間分(fēn)辨率(shuài)和高圖(tú)像(xiàng)信(xìn)噪(zào)比。N-Cam利用更(gēng)短的(dí)曝(pù)光時間來(lái)識別(bié)待(dài)測物(wù)品(pǐn)中更小(xiǎo)的空隙和(hé)更細微的成(chéng)分變化(huà)，從(cóng)而可以在(zài)相(xiāng)同的(dí)時間處理更多的(dí)樣(yàng)品(pǐn)或達到(dào)更快的斷(duàn)層層析成像。 

N-Cam使用(yòng)20μm 厚(hòu)的Gadox閃爍體(tǐ)直接(jiē)應(yīng)用於(yú)75mm Photek像增(zēng)強器(qì)前端（如(rú)右下圖所(suǒ)示）。像增強器中(zhōng)單(dān)層(céng)微通(tōng)道板(bǎn)後端使用具有快(kuài)速衰減(jiǎn)時(shí)間的P46熒(yíng)光屏，使(shǐ)閃爍體(tǐ)的(dí)光信號(hào)可放大104倍(bèi)，而後聚焦成(chéng)像在具有(yǒu)2048 x 2048像素(sù)，等效像素(sù)38μm的(dí)製冷(lěng)型(xíng)sCMOS相(xiāng)機(jī)上。與傳統(tǒng)中(zhōng)子相機(jī)比較，N-Cam可以在不犧牲(shēng)空間分辨率的(dí)情況(kuàng)下通過(guò)像增(zēng)強器顯(xiǎn)著提(tí)高靈敏(mǐn)度。通過理論估(gū)算和(hé)實驗分(fēn)析(xī),N-Cam在(zài)中(zhōng)子通量(liáng)為2×107n/cm2/s情(qíng)況下依然可以(yǐ)達(dá)到(dào)很好的信(xìn)噪比。同時由於N-Cam的高靈敏度因此(cǐ)在低通量中(zhōng)子實驗中仍(réng)然可(kě)以進行(háng)成(chéng)像分(fēn)析(xī)。 

碳(tàn)化(huà)硼和(hé)柔性(xìng)硼屏(píng)蔽(bì)結構相結(jié)合(hé)，可在大(dà)幅度上(shàng)保(bǎo)護(hù)儀器免受外(wài)部(bù)中(zhōng)子實(shí)驗(yàn)幹(gān)擾從而提高(gāo)儀(yí)器(qì)使(shǐ)用壽命(mìng)；Photek針對(duì)N-cam開(kāi)發有圖像采(cǎi)集(jí)軟件可精確(què)穩定(dìng)的(dí)控(kòng)製此套(tào)係(xì)統，同(tóng)時可與(yǔ)用戶的硬(yìng)件集成(chéng)，實(shí)現(xiàn)中(zhōng)子攝像成像，層析成像，時間分辨(biàn)分析(xī)等(děng)應用.N-cam係統可以(yǐ)放心(xīn)的安(ān)裝(zhuāng)在(zài)各種表麵(miàn)或機(jī)器(qì)中。

不同角(jiǎo)度輻射成像:鋁材料覆(fù)蓋的(dí)M3-M8鈦螺絲，銅球以及(jí)硼矽球(qiú)