摘要

中子成像技術(shù)在類似考古（古董、古生物）、冶金金屬領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注，但其受到同步輻射光源限制，更有效的調(diào)配好使用光源的時(shí)間是急需解決的問題。N-Cam中子相機(jī)系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)的中子相機(jī)，能在較短的曝光時(shí)間獲得詳細(xì)清晰的圖像，是一種新型的針對(duì)冷中子、熱中子的成像系統(tǒng)。N-Cam將20微米厚的Gd2O2S:Tb（Gadox）閃爍體直接應(yīng)用于像增強(qiáng)器的輸入窗口。N-Cam系統(tǒng)在英國盧瑟福.阿普爾頓國家實(shí)驗(yàn)室散裂中子源設(shè)備進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在75mm靶面視場、5s曝光情況下獲得了良好的對(duì)比度效果圖。此篇分析文章通過相機(jī)模式傳遞函數(shù)法（MTF）在多個(gè)位置對(duì)空間分辨率進(jìn)行了方向性依賴的分析。邊緣效應(yīng)在X、Y方向都可以觀察到，但是Y方向更為明顯。同時(shí)此次實(shí)驗(yàn)在中子通量為2*107n/cm2/s的情況下，600s內(nèi)測量了幾個(gè)毫米空間尺度下350個(gè)灰階的變化。最后基于平場圖像分析得出系統(tǒng)的量子效率約為16%。

前言介紹

中子成像由于是一種無損檢測技術(shù)（NDT/NDE），被廣泛應(yīng)用于汽車、航天航空以及學(xué)術(shù)界領(lǐng)域【1.2.3】。隨著中子技術(shù)的不斷成熟發(fā)展進(jìn)步，中子成像正逐漸成為一種標(biāo)準(zhǔn)檢測觀察技術(shù)。

中子成像常和X射線成像比較，這是因?yàn)檫@兩種技術(shù)非常相似，區(qū)別只是在于電離輻射的產(chǎn)生和衰減的方式 【3，4】。X射線與材料的電子云相互作用過程中密度較大的材料或較重的元素衰減。中子由于不帶有電荷因此與原子核相互作用、同時(shí)與較輕的元素作用衰減得更快，故中子可以拍攝到更微觀的結(jié)構(gòu)。中子成像技術(shù)包括頻閃觀測、能量選擇成像和三維層析成像等。

中子成像作為一種無損檢測技術(shù)的主要局限性之一是高通量、高準(zhǔn)直性的中子源很難獲得同時(shí)成本高。在過去的十多年里，人們一直在努力使工業(yè)界和學(xué)術(shù)界更容易使用中子成像技術(shù)【3，4，5，6】。其中包括加強(qiáng)相關(guān)研究項(xiàng)目、改進(jìn)中子研究反應(yīng)堆及其為相關(guān)領(lǐng)域提供更多資金，以及將這項(xiàng)技術(shù)引入新產(chǎn)業(yè)等。增強(qiáng)型Gadox-sCMOS中子相機(jī)（N-Cam）的研制增強(qiáng)了中子成像設(shè)備的可行性（高靈敏度、良好空間分辨率、更快速的積分時(shí)間）。同時(shí)它還為低通量反應(yīng)堆提供了實(shí)驗(yàn)可能，其可以保證低通量條件下的中子成像。中子散裂源（ISIS）以及和μ光源的成形譜儀（IMAT）裝置在此次實(shí)驗(yàn)中給樣品提供了相對(duì)穩(wěn)定的中子束流【7】。本篇應(yīng)用報(bào)告通過此套設(shè)備表征N-Cam在不同工作模式下的性能。

實(shí)驗(yàn)與分析方法

探測器部分

N-Cam探測器部分包含一個(gè)厚度為20 µm、密度為7.3mg/cm2的Gadox閃爍體同時(shí)具有75mm靶面的有效探測區(qū)域。一個(gè)厚度為1mm的發(fā)黑鋁材料（防止低能量X射線干擾，類似X射線相機(jī)防止可見光的鈹窗）被放置在Gadox閃爍體前端2.7mm處，這樣就使待測對(duì)象與Gadox閃爍體之間的最小距離為3.7 mm。Gadox閃爍體直接應(yīng)用于Photek 的MCP175像增強(qiáng)器的光纖輸入窗口前端。光纖輸入的數(shù)值孔徑（NA）為1.0，保證了閃爍體光的高收集效率。典型的中子和閃爍體材料互相作用會(huì)產(chǎn)生30kev的內(nèi)部電子沉積【8，9，10】，從而在閃爍體的平均電子路徑上會(huì)形成1200個(gè)光子的計(jì)數(shù)。大約32%的光信號(hào)會(huì)通過光纖窗口傳輸?shù)焦怆婈帢O。在此次實(shí)驗(yàn)中閃爍體由于沒有反射覆蓋層以最大化優(yōu)化空間分辨率，造成了一部分的光損失。同時(shí)在光纖窗口的內(nèi)表面沉積的S20光陰極在閃爍體545nm發(fā)射峰位置提供了10%的量子效率。通過上述的計(jì)算得出，每吸收一個(gè)中子，在像增強(qiáng)器端會(huì)產(chǎn)生38個(gè)光電子；這些產(chǎn)生的光電子會(huì)在光陰極和微通道板之間的300um空間，通過一個(gè)200v的電壓加速。微通道板MCP是一個(gè)有數(shù)百萬個(gè)孔的薄玻璃板，可以用來放大電子信號(hào)【11】。N-Cam中子相機(jī)系統(tǒng)配置有一級(jí)MCP,該MCP具有直徑為12um間距為15um的陣列孔，孔徑比L:D是60：1。MCP的增益是由電壓控制的，對(duì)于大多數(shù)測試設(shè)置為+900v。通過MCP放大后的光電子通過5.5kv的加速電場轟擊P46熒光屏并輸出成像。在上述的電壓增益過程中，增強(qiáng)器的總光增益可達(dá)104。

Figure 1: 中子像增強(qiáng)器示意圖

高壓模塊HVPS以及門控控制器GCU集成在相機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部，用雙層3.2mm厚柔性硼材料包裹以防止中子對(duì)電路的干擾。同時(shí)Photek使用GCU去控制50ns門控所需要的高壓脈沖電源。光電陰極的電壓開關(guān)是由光陰極與MCP之間的-50v偏置電壓控制，以防止無效光電子被放大。像增強(qiáng)器模塊可以在50ns尺度進(jìn)行通斷操作。門控器GCU通過USB連接到數(shù)據(jù)采集器以及電腦上，這樣可以通過軟件控制MCP增益、光電陰極開關(guān)、門控持續(xù)時(shí)間以及延遲時(shí)序控制。利用中子源成形譜儀IMAT的信號(hào)和GCU模塊進(jìn)行同步從而來實(shí)現(xiàn)不同的采集模式。

探測器記錄

N-Cam探測器的成像部分集成的是制冷型sCMOS相機(jī)，這臺(tái)相機(jī)具有2048x2048陣列格式，同時(shí)單像素尺寸為6.5μm。 此臺(tái)相機(jī)滿畫幅情況下最快成像速度是35fps，通過選擇區(qū)域ROI可以獲得更高的幀頻。在此次實(shí)驗(yàn)中成像速度介于0.1fps和30fps之間。相機(jī)的滿阱容量為30000e-，讀出噪聲＜2e-，16bit數(shù)位動(dòng)態(tài)范圍。同時(shí)暗噪聲以及其他噪聲可以通過-15℃的制冷進(jìn)行大幅度削弱。相機(jī)通訊采用USB3.0,并有專業(yè)的控制軟件。

使用一個(gè)45度的反射鏡將像增強(qiáng)器的輸出光反射到相機(jī)口成像，90度的探測設(shè)計(jì)可以有效減少中子束流對(duì)相機(jī)的干擾。為了進(jìn)一步防止粒子干擾以及輻射損傷，在相機(jī)外還放置了雙層3.2mm厚的柔性硼材料作為中子屏蔽防護(hù)層。75mm的探測成像區(qū)域通過Schneider-Kreuznach Componon f2.8/40mm 的鏡頭成像在上述的sCMOS相機(jī)上。同時(shí)相機(jī)還被安裝在一個(gè)可以調(diào)整聚焦位置的平移臺(tái)上。在實(shí)驗(yàn)中我們還通過鏡頭延長環(huán)前移相機(jī)靶面獲得了33mm的視場，有效的分辨率在16.3um。

Figure 2: Diagram of N-Cam with labelled components

圖像處理

使用ImageJ軟件對(duì)圖像記錄并進(jìn)行處理，對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)組、平均暗場信號(hào)、平場校正信號(hào)以及樣品成像進(jìn)行編譯。首先從一組參考的背景圖中獲取出平均背景信號(hào)；為了估算出平場信號(hào)，我們從每一個(gè)平場信號(hào)中減去平均背景，平場信號(hào)減去背景而后進(jìn)行歸一化和平均處理這樣就可以得到平均平場校正信號(hào)；為了得到有效的目標(biāo)信號(hào)，對(duì)所有的目標(biāo)圖像進(jìn)行背景扣除、歸一化處理而后除以平均平場信號(hào)。調(diào)整對(duì)象堆棧的大小可以改變相機(jī)曝光時(shí)間。通過將平均目標(biāo)圖像除以平場信號(hào)，這樣可以使增益帶來的變化以及固定模式噪聲最小化【7，12】。最后處理得到的圖像再進(jìn)一步分析。

空間分辨率

為了標(biāo)定中子相機(jī)系統(tǒng)的空間分辨率，我們從the Paul Scherrer Institute (PSI)實(shí)驗(yàn)中心取得一組分辨率標(biāo)定圖。PSI提供了三組不斷減小的線對(duì)組圖(200-1000um;25-150um;5-25um)以及用于模式傳輸函數(shù)MTF分析的3°的傾角盒。通過以上工具對(duì)75mm以及30mm視場進(jìn)行了極限分辨率分析。

對(duì)于75mm的視場，IMAT中子源的針孔設(shè)置為40mm，產(chǎn)生了5x106n/cm2/s的中子束流，同時(shí)中子源輸出孔徑比為245：1。實(shí)驗(yàn)中在0.2fps情況下采集了60組平場信號(hào)以及60組背景信號(hào)，單大組耗時(shí)300s。分辨率標(biāo)定圖緊貼像增強(qiáng)器的前方中央位置，也記錄了60組。為了評(píng)估X、Y軸的依賴，分辨率圖也被放置在了像增強(qiáng)器邊緣位置的3、6、9以及12點(diǎn)方向，每個(gè)位置被記錄了60幀。對(duì)于30mm視場實(shí)驗(yàn)，記錄了30張平場以及分辨率圖，其中分辨率圖只是放在像增強(qiáng)器中心進(jìn)行了測試。

處理圖像后，在第一和第二組線對(duì)（25-1000um）成像中重現(xiàn)出多條線陣的輪廓。同時(shí)對(duì)于不同線對(duì)的尺寸用方程二進(jìn)行對(duì)比度計(jì)算。計(jì)算圖像的MTF模式傳遞函數(shù)邊緣效應(yīng)，使用了ImageJ軟件插件，針對(duì)邊緣ROI區(qū)域進(jìn)行定義分析。

靈敏度

基于閃爍體的中子成像系統(tǒng)的靈敏度很難評(píng)估。根據(jù)最初原理 ，閃爍屏的外部量子效率如下：

其中nc項(xiàng)代表是中子捕獲效率，ice項(xiàng)表示捕獲產(chǎn)生電子的效率。本次實(shí)驗(yàn)使用的Gadox閃爍體，理論上有85%的中子可以被捕獲，同時(shí)內(nèi)部電子轉(zhuǎn)換效率85%，故得出理論效率為47%。其中捕獲概率是通過NIST數(shù)據(jù)中心捕獲效率以及散射計(jì)算得出；IMAT中子成形光譜的單幀白光能量譜圖參考了Kochelmann等人的相關(guān)文獻(xiàn)【7】。

在實(shí)際過程中，由于探測器的非均勻性、光收集效率、每一次內(nèi)部中子沉積引起電子不確定性以及閃爍體內(nèi)部光產(chǎn)額，所以DQE(探測器量子效率)明顯小于QE(理論效率)。其中中子作用閃爍體的能量沉積就可以在接近0keV（這個(gè)能量有大概率從閃爍體表面產(chǎn)生和逃逸）到大于100keV(在閃爍體內(nèi)移動(dòng))。此部分，我們嘗試通過分析暴露在全白光束的信號(hào)來估算量子效率DQE，同時(shí)也考慮到系統(tǒng)內(nèi)部的光路系統(tǒng)會(huì)引起相鄰像素之間重復(fù)計(jì)算。對(duì)于一個(gè)均勻的中子通量源，每個(gè)像素點(diǎn)的平均強(qiáng)度標(biāo)記為ηFF，每個(gè)像素點(diǎn)的平均偏差σFF ,在一定區(qū)域的探測器中對(duì)捕獲的中子產(chǎn)生的內(nèi)轉(zhuǎn)換電強(qiáng)度進(jìn)行泊松分布函數(shù)表征如下方程：

其中N(x)表征的是在x大小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生信號(hào)的中子數(shù)量，F(xiàn)N是中子通量，T是積分時(shí)間，r是相關(guān)的標(biāo)度長度，可以認(rèn)為是中子源產(chǎn)生的光的半徑。通過對(duì)得到的全白光平場數(shù)據(jù)針對(duì)不同Binning進(jìn)行整合處理，而后用方程4擬合得到DQE和r值。在標(biāo)準(zhǔn)的像增強(qiáng)器設(shè)置情況下，1s積分時(shí)間，獲得了IMAT光源（80mm，中子通量2x107n/cm2/s）的平場數(shù)據(jù)。在連續(xù)成像模式下，采集了150幀平場的參考圖像，同時(shí)在之前又采集了5幀信號(hào)圖像。數(shù)據(jù)的矯正處理通過上述提到的方程1進(jìn)行處理.

對(duì)比度波動(dòng)分析CNR是衡量成像系統(tǒng)灰度分辨率的指標(biāo)。為了測量這一個(gè)對(duì)比度指標(biāo)，使用了各10個(gè)不同厚度的C101銅以及082-T651級(jí)別的鋁材料（從5mm-14mm，每1mm遞增），每種材料的截面都是5mm*5mm。成像使用IMAT光源針孔束結(jié)構(gòu)，其中針孔為80mm，孔徑比125：1，產(chǎn)生中子通量為2x107n/cm2/s。相機(jī)設(shè)置積分時(shí)間為1s，達(dá)到了50%的像素滿阱強(qiáng)度。像增強(qiáng)模塊MCP電壓設(shè)置為900v，熒光屏電壓為5500v。在模型拍照前后拍攝兩組平場圖像，每組積分1s。同時(shí)在IMAT光源關(guān)閉且衰減器放置情況下獲得同樣曝光時(shí)間的背景圖像。同時(shí)獲得模型材料的圖像。

所有的平場圖像、背景圖像以及模型圖像都對(duì)像素靶面39872個(gè)像素區(qū)域進(jìn)行了歸一化處理，以校正曝光期間的光束強(qiáng)度和增益變化。從得到的圖像進(jìn)行分析，20個(gè)不同對(duì)比度材料的截面的邊緣附近不均勻，假設(shè)是由于邊緣效應(yīng)，包括光束發(fā)散、中子散射和沿著每個(gè)截面之間的尖銳邊界的衍射而引起的。對(duì)于上述提到的5 mm正方形部分的模型材料，在其中心附近選擇32 x 64像素進(jìn)行ROI分析，并計(jì)算像素值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。相鄰兩段（A和B）之間的CNR定義為

2結(jié)果分析

空間分辨率

根據(jù)圖三得到的是300s積分情況下，75mm視場與30mm視場的中心成像區(qū)域的處理后的圖像，利用ImageJ測得的線輪廓，我們估算了30mm和75mm視場下，N-cam系統(tǒng)的極限分辨率（5%）分別是12.5lp/mm以及10lp/mm 。對(duì)于有效像素尺寸為38um的75mm視場，同時(shí)進(jìn)行采樣處理（Nyquist），得到的極限分辨率為13lp/mm，和MCP175的16lp/mm分辨率結(jié)合分析，10lp/mm屬于合理的數(shù)據(jù)。對(duì)于有效像素尺寸16um的30mm視場，采樣處理后極限是30lp/mm，與16lp/mm像增強(qiáng)器結(jié)合得到12.5lp/mm與理論相差較大，當(dāng)然這個(gè)數(shù)據(jù)還有其他我們沒有考慮到的影響因素，比如我們需要更詳細(xì)的測量來確定熒光屏對(duì)分辨率的影響。

(a) 中心分辨率圖像 (75mm FOV)       (b) 中心分辨率 (75mm 視場)線寬25-150µm

Figure 3: 中子成像得到的PSI分辨率圖樣

Figure 4: 不同尺寸線對(duì)的平均測量對(duì)比圖

如圖5所示，將曝光時(shí)間從300秒減少到30秒不會(huì)影響測量的對(duì)比度或計(jì)算的MTF曲線。將曝光時(shí)間減少到30秒以下，測量對(duì)比度和計(jì)算的MTF曲線的趨勢相同，但引入了更多的噪聲，如圖6所示。然而，MTF曲線小于5%的點(diǎn)保持在9.5–10.5 lp/mm之間 。

Figure 5: 不同尺寸線寬 、不同積分時(shí)間75mm視場下對(duì)比度     Figure 6: 75mm不同分辨率條件下75mm視場 MTF曲線（5、10、30、300s曝光時(shí)間）

DQE探測器量子效率

對(duì)成像區(qū)域的24mm*24mm進(jìn)行平場成像區(qū)域進(jìn)行校正, 曝光時(shí)間T=5s,中子流量FN = 2x107n/cm2/s , 并對(duì)此區(qū)域內(nèi)使用泊松分布平場進(jìn)行了矯正。 通過方程4進(jìn)行擬合，而后估算得到的DQE=16.1%,中子產(chǎn)生的光半徑r=81um。低于理論結(jié)果的47%，這是由于閃爍體表面的低能量損耗、探測器不均勻性以及儀器其他噪聲的綜合影響。r=81um表示距離像素邊緣一定距離的中子互相作用將對(duì)相機(jī)信號(hào)產(chǎn)生影響。考慮到基于熒光屏的光散射，這個(gè)數(shù)值并不奇怪，并且和上述的MTF測量值一致，在2.5lp/mm情況下，50%對(duì)比度，200um線寬，大致為2r。未來將研究Gadox閃爍體的替代材料，以確定它們對(duì)r的影響和系統(tǒng)的極限分辨率。

R2 = 0.999625 Figure 9: Fit to standard deviation as a function of pixel size using Equation 4, parameterized with QEeff and r.

對(duì)比度波動(dòng)

圖10給出了600s積分情況下對(duì)比度分析成像組的平場對(duì)比度圖像。其中如像圖10b所示，有四個(gè)長方形的模塊以及一個(gè)鋁制支架、兩個(gè)鈦材料螺絲組成。每一個(gè)長方形的尺寸為5mm寬、25mm長，銅材料（左側(cè)10a）和鋁材料（右側(cè)10c）兩大組中分別是以1mm遞增的5-9mm以及10-14mm的厚度。

10a) Copper step-wedge from 5 to 14mm in 1 mm steps    10b) Contrast Phantom    10c) Aluminum Step-wedge from 5 to14 mm in 1 mm steps

Photek Limited

26 Castleham Road, St Leonards on Sea, East Sussex, TN38 9NS, United Kingdom

Revision 1 Last Updated: 03/04/202

圖11通過方程5分析測量了不同厚度情況下的透過噪聲曲線。 通過圖11可以得出1.0cm與1.1cm厚度鋁材料之間得CNR值是2.6。相同厚度的銅材料CNR是11.4。假定CNR=1的情況是最小可以檢測的分辨率對(duì)比度，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于鋁的可探測的最小對(duì)比度是0.26%，銅是0.3%，表明圖像中的灰階值應(yīng)該是350。這個(gè)值同時(shí)也取決于中子束特性、樣品的成分以及幾何結(jié)構(gòu)。

Figure 11a. Transmission through the aluminum step-wedge with error bars representing 1 σ noise.

Figure 11a. Transmission through the copper step-wedge with error bars representing 1 σ noise.

結(jié)論

N-cam在75mm視場下分辨率為10lp/mm（300s曝光測試時(shí)間）。曝光時(shí)間減小到30s以上對(duì)分辨率幾乎沒有影響。將曝光時(shí)間減小到30s以下時(shí)，分辨率也在10lp/mm，但會(huì)影響到分辨率。因此，采集300s積分情況下的平場、暗場圖像，采集360度旋轉(zhuǎn)的成像，一次斷層掃描成像最快需要通過5次拍攝歷時(shí)40分鐘或者30次拍攝耗時(shí)3個(gè)小時(shí)。N-cam在測試過程中顯示了x,y方向的依賴性，其中y方向?qū)D像的影響大于x方向，但是其中的原因需要進(jìn)一步的研究確定。同時(shí)系統(tǒng)的量子效率得出是16.1%，閃爍體的厚度會(huì)影響量子效率，同時(shí)也會(huì)影響小視場情況下的分辨率，這一點(diǎn)也有待研究。然而，對(duì)于75mm的大視場的影響可以忽略不計(jì),與理論值近似，這主要是因?yàn)榇笠晥銮闆r下的有效像素點(diǎn)比較大所以影響較小。
References