圖1.中子射線成像的典型實(shí)驗(yàn)裝置，改編自Nanda et al.，物理化學(xué)雜志C，2012.

用于無(wú)損檢測(cè)的新型(3D)中子成像技術(shù)可用于大面積，強(qiáng)化CCD相機(jī)系統(tǒng)?！皝?lái)自普林斯頓儀器公司的新型PI-MAX4：2048f允許工程師和科學(xué)家通過(guò)在高靈敏度，精密門控ICCD攝像機(jī)中提供比較大的成像區(qū)域，更有效地，更經(jīng)濟(jì)地利用動(dòng)態(tài)中子射線照相。

介紹

每個(gè)工程師和科學(xué)家夢(mèng)想能夠從內(nèi)部調(diào)查物體，而不會(huì)破壞它們，以便研究裂縫，隱藏的缺陷或結(jié)構(gòu)材料的變化。多年來(lái)，通過(guò)持續(xù)開發(fā)利用不同輻射模式的獨(dú)特特征的新技術(shù)，已經(jīng)利用了各種技術(shù)來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想。不幸的是，最常見的模式，可見光不能用于實(shí)現(xiàn)從內(nèi)部調(diào)查對(duì)象的這一愿景。可見光僅提供物體外表面的不透明視圖，因?yàn)樗淮蠖鄶?shù)材料的表面反射或吸收(除了一些顯著的例外，如水和玻璃)。

部分或全部物體的透明度可以通過(guò)其他方式實(shí)現(xiàn)，包括x射線，超聲波，微波和紅外輻射。在所有這些模式中，x射線可能是最知名的，因?yàn)樗鼈冊(cè)谠S多醫(yī)療，工業(yè)和科學(xué)應(yīng)用中的使用。根據(jù)樣品組成和調(diào)查目標(biāo)選擇使用的x射線的具體特征(即，波長(zhǎng)/能量，強(qiáng)度/通量)。

在本應(yīng)用筆記中，我們將討論另一種輻射方式，即中子。自由中子僅由核反應(yīng)產(chǎn)生。除了用于核反應(yīng)堆的能源生產(chǎn)外，中子是原子和分子長(zhǎng)度尺度材料研究的重要探針。他們證明對(duì)于越來(lái)越多的非破壞性調(diào)查非常有用，為工程師和科學(xué)家提供了強(qiáng)大的x射線補(bǔ)充。穿透厚壁樣品的中子實(shí)際上與x射線相似，但與物質(zhì)的作用與X射線不同。

基本中子射線照相

由于它們與物質(zhì)的相互作用，中子像x射線一樣提供了透射輻射的圖像(即中子射線照片)。然而，與x射線相互作用高度依賴于物質(zhì)的原子序數(shù)的X射線相互作用不同，中子相互作用不依賴于原子序數(shù)。例如，雖然鉛有效地屏蔽了X射線，但它對(duì)中子幾乎是透明的。由于x射線和中子與物質(zhì)的作用不同，這兩種輻射方式突出了物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)性質(zhì)。對(duì)于中子射線照相，中子主要使用提供具有高靈敏度和高空間分辨率的數(shù)字圖像的特殊區(qū)域檢測(cè)器。參見圖1。

中子射線照相術(shù)用于廣泛的科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用中的非破壞性研究/測(cè)試。 圖2顯示了鎖的中子射線照相。 材料組成和厚度產(chǎn)生不同的圖像對(duì)比度，照亮鎖的各個(gè)部件以及檢測(cè)任何部件缺陷或可能的組裝錯(cuò)誤。

圖2鋼鎖的中子攝影圖像，顯示各種金屬部件

使用普林斯頓儀器PI-MAX：1300 ICCD攝像機(jī)獲取的圖像由瑞士保羅·謝勒研究所提供。

動(dòng)態(tài)中子射線照相術(shù)(dNR)

動(dòng)態(tài)中子射線照相術(shù)用于時(shí)間依賴的非破壞性研究。 這種方法使得工程師和科學(xué)家能夠獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并觀察其組件通常使用其他輻射方式(如x射線)無(wú)法看到的系統(tǒng)的內(nèi)部工作。 這種調(diào)查的典型設(shè)置類似于圖1所示的設(shè)置，盡管ICCD照相機(jī)增強(qiáng)器的門控必須與正在研究的系統(tǒng)(例如，正在運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī))的周期性同步。

跑步發(fā)動(dòng)機(jī)是這種調(diào)查的一個(gè)典型例子。 它們的快速周期性過(guò)程可以通過(guò)精確觸發(fā)的短時(shí)間曝光的時(shí)間序列來(lái)觀察。 例如，圖3示出了由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的三個(gè)動(dòng)態(tài)中子射線照相圖像。

圖3以1200rpm運(yùn)行的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)中子射線照相圖像，其曝光時(shí)間為0.1毫秒。

使用普林斯頓儀器PI-MAX：1300 ICCD相機(jī)獲取的圖像由瑞士保羅·謝勒研究所提供。

動(dòng)態(tài)中子射線照相還被用于觀察潤(rùn)滑油在功能摩托車離合器內(nèi)的實(shí)時(shí)分散。 研究人員解釋說(shuō)，雖然x射線被金屬?gòu)?qiáng)烈吸收，潤(rùn)滑劑幾乎看不到，但與中子完全相反：金屬是透明的，油吸收中子1。

圖4顯示以8000rpm運(yùn)行的二沖程鏈鋸發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)中子射線照相測(cè)量。 這些框架顯示完全記錄的旋轉(zhuǎn)的不同的曲軸位置。 單張?jiān)紙D像的曝光時(shí)間為50微秒。

圖4動(dòng)態(tài)中子射線照相圖像顯示以8000轉(zhuǎn)/分鐘運(yùn)行的鏈鋸的72個(gè)不同曲軸位置中的6個(gè)，曝光時(shí)間為50微秒。

使用普林斯頓儀器PI-MAX：1300 ICCD相機(jī)獲取的圖像由瑞士保羅·謝勒研究所提供。

新技術(shù)

普林斯頓儀器公司最近推出了PI-MAX?4系列科學(xué)ICCD相機(jī)的新成員PI-MAX4：2048f(參見圖5)，這是動(dòng)態(tài)中子射線照相術(shù)的理想選擇。 PI-MAX4：2048f提供了任何其他市售的強(qiáng)化CCD相機(jī)的四倍的成像面積?？紤]到操作中子源的成本，這個(gè)更大的成像區(qū)域可以收集更多的圖像數(shù)據(jù)。

圖5新普林斯頓儀器公司的PI-MAX4：2048f攝像機(jī)系統(tǒng)為工程師和科學(xué)家提供了高效。

精確的時(shí)序控制以及更高效地進(jìn)行動(dòng)態(tài)中子射線成像所需的大型成像區(qū)域。

高靈敏度的PI-MAX4：2048f具有光纖耦合到幾代Gen II或Gen III無(wú)薄膜增強(qiáng)器之一的2k x 2k CCD，是目前市場(chǎng)上唯一提供6 MHz / 16-bit高幀頻的ICCD相機(jī)，位數(shù)字化，以及1 MHz持續(xù)門控重復(fù)率。內(nèi)置于新相機(jī)中的集成可編程定時(shí)發(fā)生器SuperSynchro使其成為動(dòng)態(tài)中子射線照相的理想選擇。

此外，最新的普林斯頓儀器LightField?數(shù)據(jù)采集軟件可作為選件提供，可通過(guò)非常直觀的用戶界面完全控制所有PI-MAX4硬件功能。 LightField提供自動(dòng)缺陷校正，精確曝光控制和大量創(chuàng)新功能，便于捕獲和輸出中子成像數(shù)據(jù)。

概要

中子射線照相術(shù)為X射線成像提供了非常好的補(bǔ)充，用于各種非破壞性研究，包括材料研究，核技術(shù)，古生物學(xué)，考古學(xué)和水文地質(zhì)學(xué)。同樣地，動(dòng)態(tài)中子射線照相補(bǔ)充時(shí)間依賴的非破壞性研究中的x射線模態(tài)，例如與內(nèi)燃機(jī)，燃料電池和兩相流系統(tǒng)有關(guān)的研究。

普林斯頓儀器公司的新型PI-MAX4：2048f允許工程師和科學(xué)家通過(guò)在高靈敏度，精密門控ICCD攝像機(jī)中提供比較大的成像區(qū)域，更有效地利用動(dòng)態(tài)中子射線照相術(shù)，并且更具成本效益。對(duì)于科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用，中子成像的好處將繼續(xù)增長(zhǎng)，因?yàn)樾枰翱催^(guò)去”的金屬成分，并觀察少量的有機(jī)材料不斷增加。

審核編輯 黃宇