束流参数对热中子照相质量影响的模拟分析

霍合勇 唐 彬 吴 洋 刘 斌

（中国工程物理研究院核物理与化学研究所 绵阳 621900）

建立数字中子照相装置前和进行中子照相时，须分析影响照相分辨率、图像对比度等性能的主要因素[1]，以寻求相应技术手段，获得高质量的中子照相图像。绍我们对影响中子照相性能的几个主要因素进行了模拟计算。计算涉及的中子束质量主要由中子束准直比、镉比、散射中子及注量率空间分布等[2]决定，本文将逐一进行分析。

1 中子束准直比与图像质量关系

准直比(L/D)决定中子照相的几何不清晰度。样品厚度一定时，要减小系统的几何不清晰度，须缩小准直器输入窗孔径D，延长准直段[3]。但此举降低了入口中子注量率φ0和出口中子注量率φ=φ0A/(4πL2)，其中，A为准直器入口面积，L为准直器入口到成像探测器的距离。实验表明，φ0<105cm–2·s–1时，虽然荧光屏耦合制冷式 CCD 方式成像可由积分结合图像处理技术获得较好图像，但本底噪声影响较大，且难以完全消除，难以定量分析。

用Kobayashi法[4]可精确获得中子束的准直比。该法采用的L/D器件材料为双层铝箔包夹的镉板，镉板上钻有不同直径的小孔(孔径为d)，该器件置于距离探测器l处，发散的中子束入射到该器件上后，在探测器上行成具有一定模糊度的小孔图像，则通过小孔中心的强度线轮廓不再是锐利的矩形，而变为梯形(图1)。

存在一个临界孔径dc，全束都能投射到一个点上，故该点的强度达最大值，强度线轮廓的顶部平台宽度为0(图1b)。如d>dc，强度线轮廓为梯形，梯形顶部宽度可达最大值；d

图1 不同直径小孔的几何图像Fig.1 Geometric imaging of different holes.

我们用软件包Origin的Lab Talk言语编写梯形函数的拟合程序，用梯形函数模拟穿透直径为 0.2 cm小孔所得结果如图2。计算所得数据，可获得梯形平台的宽度。

图2 小孔的强度线轮廓数据及梯形函数拟合曲线Fig.2 Typical hole profile with fitted trapezoid function.

此法可计算不同直径小孔的强度线轮廓曲线(图3a)。该轮廓线为对称图形，可仅计算其半幅，以节省计算时间。对这些强度线轮廓数据进行梯形函数拟合获得的小孔直径与平台宽度的关系见图3(b)，二者为线性关系，对该数据进行线性拟合，可得dc，以及中子束准直比。

图3 小孔投影的模拟计算值(a)和孔径与平台宽度的线性拟合(b)Fig.3 Simulated projection profile of hole (a) and fit function for the hole widths with thermal neutrons (b).

图4 不同准直比中子束的中子图像Fig.4 Neutron radiographs of different collimation ratios.

图5 不同准直比中子束的锐边界曲线Fig.5 Sharp edge curves of different collimation ratios.

依据模拟曲线的拟合结果，可计算出该角分布的中子束准直比约为 8.7。设置不同的源参数(如源的角分布等)，可获得不同准直比的中子束，模拟仿真不同准直比下的仿真图像，可定量评估准直比对成像质量的影响。图4为七种准直比下的仿真图像。用三束不同发散度的中子进行样品成像，模拟获取的锐边界曲线见图5。对拟合曲线微分后获得系统的线扩散函数LSF(图6a)，对于各向同性的成像系统即系统的点扩散函数PSF。系统的PSF傅立叶变换后获得的中子照相的调制传递函数(MTF)见图6(b)。调节中子束的发散度来改变中子束的准直比，可分析准直比对热中子成像质量的影响。

2 中子束镉比与图像质量关系

镉比是不包镉的样品活度与包镉的样品活度之比，镉比值越大，中子束的热中子含量越高。在热中子射线照相中，超热中子和快中子是干扰射线，因此镉比越大越好。在中子源一定的情况下，可在孔道内添加慢化剂以增大镉比，但这会降低中子注量率。另外，图像对比度与物质的衰减系数成正比。一般情况下，物质的质量衰减系数随能量增高而下降，因此在中子射线照相中，应遵循在保证穿透力的前提下，能量越低越好。模拟计算了几种不同镉比的中子束与2 cm厚铁样品作用后的边界图像，部分模拟图像见图7，其线灰度见图8。由图8，图像的对比度随中子束镉比(即热中子份额)增加，其变化趋势为先剧增后逐渐变缓。对铁样品和热中子束，镉比>20后的分辨率变化趋于稳定。

图6 不同准直比中子束导致的LSF(a)与MTF(b)曲线Fig.6 LSF (a) and MTF (b) curves of different collimation ratios.

图7 不同镉比中子束的中子图像Fig.7 Neutron images of different cadmium ratios.

图8 不同镉比中子束图像线灰度(a)和对比度变化(b)Fig.8 Line gray (a) and contrast (b) curves of different cadmium ratios.

3 散射中子与图像质量关系

分析表明，散射中子所占比例越小，图像缺陷对比度越高。用MCNP模拟的散射中子与物屏距离的关系见图9(模拟样品厚度为2 cm)，物屏距超过样品厚度的2倍时，样品内的散射中子对记录结果的影响基本可予忽略。由图10、11，随着物屏距离增加，由于散射中子份额降低，图像的对比度与平台区域的均匀度逐渐增加，但几何不清晰度也增加，图像中样品边界灰度锐利度随着下降。图像的分辨率基于对比度和几何清晰度，得寻找合适的物屏距离，使两者达到折中，获取质量最好的图像。

4 中子注量率空间分布与图像质量关系

中子照相中，由于中子源的自身特征及中子传输过程中与物质作用等多种原因，中子束的空间分布并不均匀。如不均匀性较大，往往会掩盖掉图像中的部分甚至全部信息，可加外准直器提高准直比以使中子束的空间分布均匀化。模拟计算了几种空间分布对中子成像结果的影响(图12)。设在中子束中放置2 cm厚的铁板样品，为计算方便，不改变中子源的特征，仅改变样品位置(物源距离)以调节空间分布。中子源为直径1 cm的均匀面源，源上任意一点小面元的中子发射方向为 2π立体角内各向同性。模拟结果见图13、图14。

图9 样品内部散射中子随物屏距离的变化Fig.9 Scattered neutron flux inside the sample as function of the imaging distance.

由模拟计算可以看出，当中子注量率的空间分布不均匀度较大时，图像中具有明显的亮斑，无法正确反映出样品的细节，因为样品结构差异导致的对比度变化被中子束的空间部分不均匀给掩盖了。当拉大成像距离时，中子注量率的空间分布的不均匀度降低，图像逐渐能够更为准确地反映样品的结构信息。

图10 散射中子对图像的影响 (样品厚度2 cm)Fig.10 Influence of scattered neutron on images of a 2-cm thick sample.

图11 不同物屏距离时线灰度(a)和对比度变化曲线(b) (样品厚度2 cm)Fig.11 Line gray (a) and contrast (b) curves of different imaging distances (for a sample of 2-cm thickness).

图12 模拟计算布局示意图Fig.12 Sketch map of simulation’s layout.

图13 不同空间分布对图像的影响 无样品(上) 有样品(下)Fig.13 Influence of spatial distribution on images, without(top) and with(bottom) sample.

图14 不同空间分布的线灰度。(a) 无样品，(b) 放置样品Fig.14 Line gray of different spatial distributions without (a) and with sample(b).

5 结论

综上所述，中子射线照相图像质量涉及到诸多因素，因此在装置的设计过程中，应该增加中子传输距离，以提高准直比，适当增加物屏距离降低散射中子对图像干扰的影响，针对不同的样品采用合适的中子镉比，在保证穿透性的同时提高图像的对比度。

1 唐 彬. 核电子学与探测技术, 2004, 24: 387–390 TANG Bin. Nucl Electron Detect Technol, 2004, 24:287–390

2 貊大卫, 刘以思, 金光宇, 等. 中子照相. 北京: 原子能出版社, 1996. 79–97 MO Dawei, LIU Yisi, JIN Guangyu,et al. Neutron radiography. Beijing: Atomic Energy Press, 1996. 79–97

3 霍合勇, 唐 彬, 吴 洋, 等. 核技术, 2007, 30(4):273–276 HUO Heyong, TANG Bin, WU Yang,et al. Nucl Tech,2007, 30(4): 273–276

4 Kobayashi H, Wakao H. Neutron radiography (3), 1990.889–892