三维磁场强度矢量的极化中子层析成像技术研究

Polarized neutron imaging, which is based on the measurement of spin precession of a collimated and polarized neutron beam transmitted through a magnetic field in a sample, enables visualization of magnetic fields, and can be used in electromagnetism research or material science. This technique has the advantage that polarized neutrons are able to map out magnetic field distribution inside bulk samples or in complex samples, and the imaging results are more direct and accurate.Since the radiographs taken by polarized neutron are dependent on the three-dimensonal magnetic vector (not the neutron abosoption cross section as in traditional neutron radiography), and the magnetic field distribution alone the neutron propagation trajectory, the magnetic field cannot be reconstructed using normal tomography technique. Polarized neutron tomography theory is still under investigation, and no practical experiment has been done. In a primary research supported by the Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11205138), the basic principle, key parameters and several approaches to magnetic field quantification by polarized neutron radiography have been analyzed. In this project, polarized neutron tomography will be studied using modified algebraic reconstruction technique together with energy selective imaging approach, we hope this research can be helpful in future works.

极化中子照相技术通过记录中子自旋在样品中的相位变化，对磁场等引起中子自旋变化的场量进行成像，适用于电磁学基础研究和超导体等磁材料研究。与其它磁场检测方法相比，极化中子照相技术可以深入材料内部，适应复杂的探测对象，同时实验结果更为直观精确。与传统中子照相技术相比，极化中子照相中引起图像灰度变化的是磁场强度的三维矢量，且与磁场在中子传输路径上的排列顺序相关，且图像灰度表现为磁场路径积分的余弦值，因此无法用通常的层析技术进行采集和重建。目前极化中子层析技术在国际上还在发展阶段，理论并不完善，实验也没有开展。本项目前期在国家基金等项目支持下已对极化中子透射成像技术原理、参数及多种成像技术方案进行了比较深入的研究，拟在此基础上将代数迭代重建算法与能量选择极化中子成像技术方案结合，探索三维磁场强度矢量的极化中子层析及重建技术，相关结果可为极化中子照相装置设计和实验开展提供支持。

极化中子照相技术通过记录中子自旋在样品中的相位变化，对磁场等引起中子自旋变化的场量进行成像，适用于电磁学基础研究和超导体等磁材料研究。与其它磁场检测方法相比，极化中子照相技术可以深入材料内部，适应复杂的探测对象，同时实验结果更为直观精确。但与传统中子照相技术相比，极化中子照相中引起图像灰度变化的是磁场强度的三维矢量，其与磁场在中子传输路径上的排列顺序相关，图像灰度表现为磁场路径积分的余弦值，因此无法用常的层析技术进行采集和重建。在此背景下，本项目开展了三维磁场强度矢量的极化中子层析采集及重建技术研究，克服了其中存在的若干难点，取得了阶段性成果。.首先推导了极化中子层析过程，将路径相关的磁场积分式进行线性近似，使其适用Radon反变换，由此建立了滤波反投影、迭代重建（两种）等可行的重建算法，对代数重建算法的初始解、优化准则和收敛条件进行了分析，讨论了各重建算法的适用范围。随着理论工作的推进，发现极化中子层析中存在预期外的重要影响因素，如自旋进动的相位缠绕问题，磁场矢量非阿贝尔投影进行线性近似引发的图像畸变问题等，通过在二维态矢框架下重构极化中子自旋与样品磁场相互作用过程，找出更为基础且信息更为丰富的参量，为解决相关问题提供方案和后续思路。.其次，引入能量选择成像技术方案，提供了两种理论上可行的技术方案，但其各有局限性。而进一步研究发现，利用二维态矢框架下的代数迭代方法可以不依赖能量选择成像，实现多数场景下的磁场层析重建。.针对极化中子照相特点，分析了装置极化效率、单色器分辨率、统计噪声等对成像和重建质量的影响，在此基础上对相关参数进行优化选取。.在理论分析基础上，选择通电螺线管和组合匀强磁场等作为样品，引入相关参数，开展仿真层析成像，对仿真数据进行模拟重建，结合实验验证了理论推导结论和重建算法有效性。