动态中子射线照相术

     

　　图1.中子射线成像的典型实验装置，改编自Nanda et al.，物理化学杂志C，2012.

　　用于无损检测的新型(3D)中子成像技术可用于大面积，强化CCD相机系统。“来自普林斯顿仪器公司的新型PI-MAX4：2048f允许工程师和科学家通过在高灵敏度，精密门控ICCD摄像机中提供比较大的成像区域，更有效地，更经济地利用动态中子射线照相。

　　介绍

　　每个工程师和科学家梦想能够从内部调查物体，而不会破坏它们，以便研究裂缝，隐藏的缺陷或结构材料的变化。多年来，通过持续开发利用不同辐射模式的独特特征的新技术，已经利用了各种技术来帮助实现这一梦想。不幸的是，最常见的模式，可见光不能用于实现从内部调查对象的这一愿景。可见光仅提供物体外表面的不透明视图，因为它被大多数材料的表面反射或吸收(除了一些显着的例外，如水和玻璃)。

　　部分或全部物体的透明度可以通过其他方式实现，包括x射线，超声波，微波和红外辐射。在所有这些模式中，x射线可能是最知名的，因为它们在许多医疗，工业和科学应用中的使用。根据样品组成和调查目标选择使用的x射线的具体特征(即，波长/能量，强度/通量)。

　　在本应用笔记中，我们将讨论另一种辐射方式，即中子。自由中子仅由核反应产生。除了用于核反应堆的能源生产外，中子是原子和分子长度尺度材料研究的重要探针。他们证明对于越来越多的非破坏性调查非常有用，为工程师和科学家提供了强大的x射线补充。穿透厚壁样品的中子实际上与x射线相似，但与物质的作用与X射线不同。

　　基本中子射线照相

　　由于它们与物质的相互作用，中子像x射线一样提供了透射辐射的图像(即中子射线照片)。然而，与x射线相互作用高度依赖于物质的原子序数的X射线相互作用不同，中子相互作用不依赖于原子序数。例如，虽然铅有效地屏蔽了X射线，但它对中子几乎是透明的。由于x射线和中子与物质的作用不同，这两种辐射方式突出了物体内部结构的互补性质。对于中子射线照相，中子主要使用提供具有高灵敏度和高空间分辨率的数字图像的特殊区域检测器。参见图1。

　　中子射线照相术用于广泛的科学和工业应用中的非破坏性研究/测试。 图2显示了锁的中子射线照相。 材料组成和厚度产生不同的图像对比度，照亮锁的各个部件以及检测任何部件缺陷或可能的组装错误。

　　图2钢锁的中子摄影图像，显示各种金属部件

　　使用普林斯顿仪器PI-MAX：1300 ICCD摄像机获取的图像由瑞士保罗·谢勒研究所提供。

　　动态中子射线照相术(dNR)

　　动态中子射线照相术用于时间依赖的非破坏性研究。 这种方法使得工程师和科学家能够获取实时数据并观察其组件通常使用其他辐射方式(如x射线)无法看到的系统的内部工作。 这种调查的典型设置类似于图1所示的设置，尽管ICCD照相机增强器的门控必须与正在研究的系统(例如，正在运行的发动机)的周期性同步。

　　跑步发动机是这种调查的一个典型例子。 它们的快速周期性过程可以通过精确触发的短时间曝光的时间序列来观察。 例如，图3示出了由电动机驱动的运行的摩托车发动机的三个动态中子射线照相图像。

　　图3以1200rpm运行的摩托车发动机的动态中子射线照相图像，其曝光时间为0.1毫秒。

　　使用普林斯顿仪器PI-MAX：1300 ICCD相机获取的图像由瑞士保罗·谢勒研究所提供。

　　动态中子射线照相还被用于观察润滑油在功能摩托车离合器内的实时分散。 研究人员解释说，虽然x射线被金属强烈吸收，润滑剂几乎看不到，但与中子完全相反：金属是透明的，油吸收中子1。

　　图4显示以8000rpm运行的二冲程链锯发动机的动态中子射线照相测量。 这些框架显示完全记录的旋转的不同的曲轴位置。 单张原始图像的曝光时间为50微秒。

　　图4动态中子射线照相图像显示以8000转/分钟运行的链锯的72个不同曲轴位置中的6个，曝光时间为50微秒。

　　使用普林斯顿仪器PI-MAX：1300 ICCD相机获取的图像由瑞士保罗·谢勒研究所提供。

　　新技术

　　普林斯顿仪器公司最近推出了PI-MAX®4系列科学ICCD相机的新成员PI-MAX4：2048f(参见图5)，这是动态中子射线照相术的理想选择。 PI-MAX4：2048f提供了任何其他市售的强化CCD相机的四倍的成像面积。考虑到操作中子源的成本，这个更大的成像区域可以收集更多的图像数据。

　　图5新普林斯顿仪器公司的PI-MAX4：2048f摄像机系统为工程师和科学家提供了高效。

　　精确的时序控制以及更高效地进行动态中子射线成像所需的大型成像区域。

　　高灵敏度的PI-MAX4：2048f具有光纤耦合到几代Gen II或Gen III无薄膜增强器之一的2k x 2k CCD，是目前市场上唯一提供6 MHz / 16-bit高帧频的ICCD相机，位数字化，以及1 MHz持续门控重复率。内置于新相机中的集成可编程定时发生器SuperSynchro使其成为动态中子射线照相的理想选择。

　　此外，最新的普林斯顿仪器LightField®数据采集软件可作为选件提供，可通过非常直观的用户界面完全控制所有PI-MAX4硬件功能。 LightField提供自动缺陷校正，精确曝光控制和大量创新功能，便于捕获和输出中子成像数据。

　　概要

　　中子射线照相术为X射线成像提供了非常好的补充，用于各种非破坏性研究，包括材料研究，核技术，古生物学，考古学和水文地质学。同样地，动态中子射线照相补充时间依赖的非破坏性研究中的x射线模态，例如与内燃机，燃料电池和两相流系统有关的研究。

　　普林斯顿仪器公司的新型PI-MAX4：2048f允许工程师和科学家通过在高灵敏度，精密门控ICCD摄像机中提供比较大的成像区域，更有效地利用动态中子射线照相术，并且更具成本效益。对于科学和工业应用，中子成像的好处将继续增长，因为需要“看过去”的金属成分，并观察少量的有机材料不断增加。

审核编辑 黄宇