中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
L04組供稿
第92期
2020年11月13日
中子單像素成像的實現

  中子成像利用中子的高穿透性和對輕元素靈敏等特性在無損檢測中具有獨特而重要的意義。隨著中國散裂中子源、中國先進研究堆等大科學裝置的建成,中子成像有望在我國衆多領域的研究與應用發揮重要的作用。但大型中子源機時緊張且不具有移動性,限制了其廣泛的應用。而對于緊湊型中子源,其強度又難以在可接受的時間範圍內使用傳統中子成像的方法得到高空間分辨的二維圖像。另外,利用散裂中子源的脈沖時間特征,時間飛行(time-of-flight,ToF)成像模式可以進行波長分辨,但這對中子源強度提出了更高的要求,緊湊型中子源也就更不具備該能力。因此,獨創一種利用較低強度、可移動式的脈沖中子源進行空間和時間分辨成像的方法,成爲中子成像衆多實際應用的關鍵。

  單像素成像技術,是通過使用沒有空間分辨能力的探測器進行物理信號的采樣,需要將大量在空間上進行調制的不同波場,按時間順序投射到目標物體以獲取空間分辨,進而重建出高空間分辨率的圖像。目前該方法已在可見光和X射線波段實現。然而,工業應用和生物醫學等領域希望使用較弱的中子源實現高質量的中子成像,由此催生了單像素中子鬼成像技術的巨大需求。

  近期,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心吴令安研究員、上海交通大学物理与天文学院陈黎明教授(原物理所研究員)、中国科学院高能物理研究所梁天骄研究員组成的联合研究团队探索出一种用于真实物体的单像素中子成像的新方法。通过深硅刻蚀和填充高中子吸收截面的粉末的方式制作了中子调制器件,使得中子束穿过调制器件后在空间上的分布具有预设置的涨落,然后再照射在成像对象上,利用不具有空间分辨能力的单像素探测器收集信号,最后将该信号和预设置的调制图案通过强度关联还原出成像物体的像,空间分辨率达到100μm。此外,研究团队还结合飞行时间成像模式,使成像的波长(能量)分辨率达到0.4% (@1 Å),并且每帧图案仅需1000左右的中子计数。上述实验在中国(东莞)散裂中子源20号束线完成,与现有的中子透射成像相比,该方法成本低、装置简单,不仅适用于较低强度的紧凑型中子源,而且在上述两方面更加适用于诸如可移动式的激光驱动脉冲中子源,在工业应用、材料科学和生物学上将具有非常重大的应用前景。

  相关研究成果近期在线发表于《Science Bulletin》(IF=9.511),共同第一作者为中科院物理所博士生何雨航、黄祎祎和高能所曾智蓉。这项工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中科院先导专项、民用空间项目和科学挑战计划项目的资助。

  文章鏈接:https://authors.elsevier.com/sd/article/S2095-9273(20)30626-5

圖一、中子單像素成像實驗方案。插圖是三維光學顯微鏡記錄的典型調制模式。

图二、归一化桶探测器信号和重建图像。(a) 桶探测器记录的每一帧中子束线强度;上图为束线波动,下面两个线分别为加了字母N和条纹的束线强度;(b) 物体N;(c)、(d) 常规GI和卷积神经网络(CNN)分别从1024次采样中获取的物体N和图像。(e) 条纹物体; (f)、(g) 常规GI和CNN分别从512次采样中获取的条纹图像。