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眾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范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,成為中子成像眾多實際應用的關鍵。

  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吳令安研究員、上海交通大學物理與天文學院陳黎明教授(原物理所研究員)、中國科學院高能物理研究所梁天驕研究員組成的聯合研究團隊探索出一種用于真實物體的單像素中子成像的新方法。通過深硅刻蝕和填充高中子吸收截面的粉末的方式制作了中子調制器件,使得中子束穿過調制器件后在空間上的分布具有預設置的漲落,然后再照射在成像對象上,利用不具有空間分辨能力的單像素探測器收集信號,最后將該信號和預設置的調制圖案通過強度關聯還原出成像物體的像,空間分辨率達到100μm。此外,研究團隊還結合飛行時間成像模式,使成像的波長(能量)分辨率達到0.4% (@1 Å),并且每幀圖案僅需1000左右的中子計數。上述實驗在中國(東莞)散裂中子源20號束線完成,與現有的中子透射成像相比,該方法成本低、裝置簡單,不僅適用于較低強度的緊湊型中子源,而且在上述兩方面更加適用于諸如可移動式的激光驅動脈沖中子源,在工業應用、材料科學和生物學上將具有非常重大的應用前景。

  相關研究成果近期在線發表于《Science Bulletin》(IF=9.511),共同第一作者為中科院物理所博士生何雨航、黃祎祎和高能所曾智蓉。這項工作得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目、中科院先導專項、民用空間項目和科學挑戰計劃項目的資助。

  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。

圖二、歸一化桶探測器信號和重建圖像。(a) 桶探測器記錄的每一幀中子束線強度;上圖為束線波動,下面兩個線分別為加了字母N和條紋的束線強度;(b) 物體N;(c)、(d) 常規GI和卷積神經網絡(CNN)分別從1024次采樣中獲取的物體N和圖像。(e) 條紋物體; (f)、(g) 常規GI和CNN分別從512次采樣中獲取的條紋圖像。