快中子散射相机技术研究

快中子散射相机是近年来在伽马康普顿散射相机基础上新发展的MeV中子探测技术，其基本原理是利用中子在多个闪烁探测器中两次n-p散射，同时获得入射粒子的位置和能量信息并进行中子、伽马分辨，与传统的准直型中子成像系统相比，具有不需要准直器、大视场、高探测效率等优点。本项目通过跟踪国际上中子散射相机研制的最新进展，建立散射相机中的成像系统结构优化设计、波形甄别、数据采集与图像重建等关键技术的软硬件实现方法，完成散射相机的原理性样机设计与研制。基于课题组提出的时频分析数据融合思想的波形甄别方法和中子、伽马不同的飞行时间来获得更高的中子、伽马甄别能力。通过该项目的研究，能够填补国内在这一领域的空白，为我国特殊核材料（铀及超铀元素）监控领域提供一种新的探测技术，还能够为我国未来的宇宙空间中子探测及核爆炸放射性材料分布探测奠定一定的技术基础。

本项目研究了一种能同时测量中子源（0.5—10MeV）能量和方位，并具有中子-伽马甄别能力的中子散射成像装置—中子散射相机。完成了理论模拟、图像处理、系统优化设计及性能考核等关键技术研究，建立了原理系统并掌握了关键技术。取得的主要进展和结论为：（1）基于蒙特卡罗模拟思想，建立了中子散射成像的理论模拟和优化设计方法，研究分析了探测结构对能量分辨、位向分辨和探测效率的影响；（2）建立并研究了基于list-mode采集方式的快速反投影和极大似然两种图像重建方法，建立了不采用飞行时间法的能量和图像重建算法；（3）建立了多参数数据采集系统，可同时获取粒子脉冲幅度谱、波形甄别谱和飞行时间谱多个参数；（4）开展了EJ-301闪烁体基于波形甄别插件MPD-4的光响应函数的测量及其对图像重建的影响；（5）研究了多种数字化波形甄别方法，提出并开展基于FPGA固件小型化的数字波形甄别技术研究；（6）掌握了散射成像中关键技术，建立了8探测单元的中子散射成像原理系统，能量分辨率<36%，角度分辨率为约8。并将前述的算法应用到实验数据处理中，取得了较好的能量分辨和角分辨结果。通过研究，掌握了中子散射相机系统构建、能量图像重建方法，有望为特殊核材料监控领域提供一种较好的探测系统。