快中子照相细节灵敏度初步实验研究

鲁昌兵 许鹏 鲍杰 陈雄军 任杰 聂阳波 王琦 张奇玮 王朝辉 阮锡超



快中子照相细节灵敏度初步实验研究

鲁昌兵1,2许鹏2鲍杰1陈雄军1任杰1聂阳波1王琦1张奇玮1王朝辉1阮锡超1

1（中国原子能科学研究院核数据重点实验室 北京 102413）;2（第二炮兵工程大学核工程系 西安 710025）

为研究快中子照相空间分辨率和反差灵敏度对细节灵敏度技术指标的影响，实验采用控制变量对照方法，加工了相同深度不同孔径和相同孔径不同深度的聚乙烯和铅样品，得到了不同条件下快中子照相照片，经过图像处理，分析得出细节灵敏度受空间分辨率和反差灵敏度综合影响，当孔径较小时，空间分辨率起主要作用；当孔径较大时反差灵敏度起主要作用，最后给出了细节灵敏度的初步参考结论。

快中子照相，细节灵敏度，空间分辨率，反差灵敏度，图像处理

中子照相与传统的X、γ射线检测都是无损射线检测的重要方法，它们功能互补[1]，且拥有各自的技术检验标准。中子照相可分为热中子和快中子照相。热中子照相技术比较成熟，目前采用国际上较为公认的ASTME545—86无损检测标准（美国材料实验协会的实验标准）[2]。近些年快中子照相技术也迅速兴起。由于快中子穿透能力强，能穿过厘米量级重金属检测轻物质，目前被各国竞相研究。例如日本理化所利用该技术进行地震受损桥梁安全检测[3−4]，澳大利亚科学与工程研究学院(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, CSIRO)利用该技术进行集装箱检 测[5−6]，瑞士保罗谢勒研究所(Paul Scherrer Institute, PSI)和德国联邦物理技术研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB)利用该技术进行金属管中两相流检测[7−8]。由于快中子照相目前尚无完整成套的公认技术标准，只能沿用热中子照相技术部分指标标准。从国内外已发表文献看，目前快中子照相在空间分辨率方面依然沿用热中子照相中的KLASENS方法或MTF (Modulation Transfer Function)方法[9−10]。它们在反差灵敏度方面则用同一材料做成厚度不同的阶梯形样品法取代热中子照相中的像质指示器IQI (Image Quality Indicators)法[11−12]。在细节灵敏度技术指标方面快中子照相是否适用尚无研究。基于此，本文在中国原子能科学研究院物理所600kV高压倍加器上开展快中子照相细节灵敏度技术指标初步实验研究。

1 实验设计

1.1 实验平台介绍

快中子照相系统通常包括三大部分：中子源、准直器和成像系统。如图1所示，分别是实验原理示意图、准直器结构图和成像系统暗箱实物图。实验中快中子照相的中子源部分是由T(d,n)He反应产生的能量为14.1MeV快中子，中子产额在2×109n·s−1左右，最高可达1.5×1011n·s−1。准直器部分是由铅、聚乙烯、不锈钢和紫铜构成的复合结构，长=147cm，出口处最大直径=8cm，内部最小直径=5.14cm。系统准直比约为294；系统固有几何不锐度g约为0.0029cm；物屏距为2cm。成像系统由转换屏、反光镜、暗箱和相机4部分组成。实验中采用的转换屏是型号为BC400的塑料闪烁体，几何尺寸为200mm×200mm×10mm，密度为1.032g·cm−3，氢碳比为1.103:1。该转换屏光输出效率高，与快中子反应作用后输出光谱峰值波长为423nm。用PTB的EFF程序模拟该转换屏对14MeV快中子的探测效率为2.2%。实验中为避免中子束直射对信号采集系统的损伤，系统采用前反射镜制作反光镜，该装置可将含有样品信息的光束路线反射90°后，进入大孔径镜头。相机是一款像素值为1024×1024科学级CCD相机。为有效降低相机暗电流噪声，实验在电制冷−80°C条件下进行信号采集。暗箱设计保证采集光路不受外来光线影响，整个成像系统部分均安装在暗箱上。经计算有效视场面积为100cm2的塑料闪烁体BC400上至少接受了2.44×108个中子，对应每个像素面积0.18mm×0.18mm上中子数为375。此条件下信噪比大于10，图像评估可靠，可进行图像分析。

1.2 实验样品设计

细节灵敏度是指照相系统在垂直射线入射方向上所能检测的最小体积。该指标最初作为热中子照相技术指标，用来衡量照相系统检测物体最小缺陷的能力。貊大卫等编写的《中子照相》[1]中有详细论述。细节灵敏度是系统空间分辨率和反差灵敏度的函数。空间分辨率影响检测缺陷的切面大小。当被检测缺陷垂直于射线方向上的尺寸远小于系统的空间分辨率，在快中子照相系统中认为不可检测出；当尺寸与空间分辨率相当，则应考虑缺陷的深度对图像对比度的影响。反差灵敏度是指平行于射线入射方向，系统能检测出的最小厚度差。该指标用来衡量能检测出缺陷的深度尺寸。若缺陷的深度小于系统反差灵敏度，则认为不可检测；若与系统反差灵敏度相当，则要考虑曝光度和散射对图像对比度统计涨落的综合影响。基于此，设计实验样品，如图2所示。利用单一变量法设计对照实验：一是同一材料样品不同孔径相同深度对照，研究空间分辨率对细节灵敏度的影响；二是同一材料样品相同孔径不同深度对照，研究反差灵敏度对细节灵敏度的影响；三是不同材料相同形状对照实验，研究不同物体宏观截面对细节灵敏度影响。经前期测试，该快中子成像系统空间分辨率在1mm左右，厚度差在5mm以上时，能进行比较有效的区分。为保证实验效果，样品尺寸依据前期测试结果设计，对聚乙烯和铅两种样品分别设计50mm×70mm×60mm的样品。样品从中间开取边长为5mm、3mm、2mm的方形通孔，利用插入不同长度等孔径小插条方式控制孔深。孔深分别为10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、60mm，前5组深度是为了对照深度变化影响，后一组60mm全贯穿是作为空白对照。

实验时将铅样品固定在实验台上，并用薄胶带将样品固定在一起，保证每次实验样品位置一致。每次实验前在样品通孔中放入相同长度的小插条，启动加速器，待中子强度稳定后，打开相机快门收集光子，并利用伴随α粒子测量法，记录中子产额。记录中子产额是为估算实验时每个样品所受中子照射量，以保证实验中每张图片中子强度一样。该实验在伴随α为2300n·s−1和每张照片照射600s下进行，过程中严格控制单一变量原则。

2 实验照片处理与分析

2.1 实验照片处理

细节灵敏度在图片上的直观反映是图像中感兴趣区域的大小和灰度值不同。对实验照片进行分析前，首先需要对照片进行处理，以增强照片的可读性。数字图像处理技术可以对中子照相照片进行处理，降低照片中的噪声，增强图片中感兴趣区域的清晰度和图像可观性。为提高实验照片的清晰度，增强对细小缺陷的鉴别能力，在本实验中利用Andor Solis for Imaging软件对照片进行处理。首先对实验原始照片进行减暗场处理，如图3所示。处理前，照片的像素均值约为433.47，暗场（未进行中子照射时，相机在暗箱中曝光600s所得照片）照片像素均值约为297.59。处理后照片像素均值约为135.87，由处理前后照片对比可知减掉暗场中由于相机自身噪声和暗箱密封不好引起的本底噪声后，照片清晰度和可观性明显提高。

经过暗场处理后还需要对图像进行增强处理，提高图像对比度和感兴趣区域的视觉效果，实验采用了色彩增强和算法增强两种处理手段。处理效果如图4所示，采用色彩增强是指对照相进行着色处理，图片视觉效果较好。采用算法增强是指将每点像素值平方处理来增强缺陷与周围对比度的方法，处理后图片对比度较高，为便于后期相同尺寸不同深度图片之间像素值对比，后续分析采用暗场处理加算法增强处理方法。色彩增强法可用于其他视觉效果要求较高的场合。

图4 色彩增强图(a)、增强处理前(b)和算法增强图片(c)

2.2 实验照片分析

如图5所示，从图5中可以看出快中子照相能对聚乙烯不同孔径、不同深度缺陷有一定识别能力，但清晰度不高。主要是受快中子照相本身探测效率低的影响，同时下一步也考虑提高中子源强和曝光时间来增加清晰度。总体来看，当聚乙烯深度达到25mm时，得到的2mm方孔照片开始清晰。当深度达到60mm时，由于受聚乙烯散射因素影响，2mm方孔又开始变模糊。从两方面对图像进行分析。一是细节灵敏度受空间分辨率影响，就每张图片本身而言，相同材料、厚度和中子强度下，不同孔径可以看出，小孔边缘的展宽使图像模糊，2mm方孔影响最为明显。当尺寸远大于空间分辨力时，影响最小，如图5中5mm方孔。二是反差灵敏度对细节灵敏度的影响。为减小空间分辨率的干扰，取5mm方孔进行分析，在相同尺寸、材料和中子强度下，随着孔深的增加5mm方孔逐渐明显，在孔深15mm时已可以区分。

根据聚乙烯图片显示，当深度为25mm和30mm时，图像清晰度已可以进行对比分析。为研究不同物体宏观截面对细节灵敏度的影响，选取铅样品孔深为25mm和30mm两张图片与聚乙烯相同厚度下对比分析，如图6所示。图6中间和小孔上端沿亮线是由于样品加工工艺不够高，导致狭缝未贴合好所致，对照聚乙烯和铅样品相同图像可看出，就聚乙烯和铅而言，细节灵敏度受不同物体宏观截面影响较小。

图6 实验获得的不同铅孔深样品照片图

3 结语

由实验结果显示，本实验对细节灵敏度研究取得了一定效果。针对特定材料聚乙烯和铅，得出了两者在相同中子强度下的不同孔径、深度照片，研究了细节灵敏度随孔径和深度大小的变化情况。由于受快中子照相技术瓶颈和理论研究的限制，本实验还未能得到清晰照片以对快中子照相进行定量分析研究，但通过本实验也能得出以下初步结论。细节灵敏度受空间分辨率和反差灵敏度综合影响。当孔径较大时，反差灵敏度起主要作用，反之空间分辨率起主要作用。鉴于细节灵敏度定义时没有确切物理量表征，依据本实验结果显示快中子照相时可取边长和深度分别为空间分辨率和反差灵敏度的两倍，来表征所能探测的最小缺陷。

致谢 感谢中国原子能科学研究院周祖英研究员和唐红庆研究员对本实验的悉心指导，感谢加速器组提供的优质中子束流。

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Preliminary experimental research of detail sensitivity in fast neutron radiography

LU Changbing1,2XU Peng2BAO Jie1CHEN Xiongjun1REN Jie1NIE Yangbo1WANG Qi1ZHANG Qiwei1WANG Zhaohui1RUAN Xichao1

1(Key Laboratory of Nuclear Data Measurement and Evaluation Technology, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China);2(Nuclear Engineering Department, Second Artillery Engineering University, Xi'an 710025, China)

Background:Detail sensitivity is an important technical indicator in the fast neutron radiography. Purpose:The spatial resolution and contrast sensitivity have important effects on the fast neutron radiography.Methods:Using the control variable methods, we process the different depth and diameter aperture samples of the polyethylene and Pb. Results: Many fast photographic images are obtained under different conditions.Conclusion:Through digital image processing, the preliminary relationship between the detail sensitivity with spatial resolution and contrast sensitivity were given. When the diameter is small, spatial resolution plays an important role in the detail sensitivity; however, contrast sensitivity plays an important part when the diameter is bigger. At last, a preliminary reference conclusion about detail sensitivity is given.

Fast neutron radiography, Detail sensitivity, Spatial resolution, Contrast sensitivity, Image processing

TL99

TL99

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.080202

瞬发γ射线法测量中子非弹性截面实验方法研究(No.11375275)资助

鲁昌兵，男，1990年出生，2015年于第二炮兵工程大学获硕士学位，研究领域为核安全与核技术

许鹏，E-mail: xupeng76345@163.com

2015-02-05，

2015-05-13