闪烁光纤屏光锥耦合的热中子探测与成像应用基础研究

针对热中子具有低能中子截面的特点，从量子效率、灵敏度、结构灵活性的热中子探测与成像原理入手，采用闪烁光纤屏、光锥及EMCCD，借助MC模拟工具，研究模块化设计、一体化集成的热中子数字成像技术原理及方法。模拟研究闪烁光纤屏、光锥及EMCCD器件靶面之间光量子效率、光响应及光耦合等过程，构建中子-光子（可见光）的光转换、光耦合、光传输与光探测的高效、高分辨、高灵敏热中子数字成像系统。鉴于热中子闪烁光纤屏信/噪比低、噪声成分复杂及对比度低等因素，研究低照度热中子成像系统的图像降质理论建模方法，将多尺度几何分析理论引入热中子数字成像领域，探索研究热中子辐射图像最优表示方法，提高热中子探测与成像系统的性能指标，此可为热中子数字成像在新领域的应用研究打下坚实的基础，并为高分辨二维探测直接三维热中子层析成像技术研究创造条件，这对于提高我国热中子数字成像技术研究水平等具有重要的理论意义和潜在的应用前景。

中子不直接产生电离，所带电荷基本为零，其与物质相互作用时具有与X射线、γ射线完全不同的吸收规律，致使热中子成像具有X射线成像所不具备的某些特点，使其在航空、航天、机械、石化、材料、核工业及医学等领域的无损检测与无损评价中有着广泛的、独特的应用。针对热中子具有低能中子截面的特点，从量子效率、灵敏度、结构灵活性的热中子探测与成像原理入手，采用闪烁光纤屏、光锥及EMCCD，构建了基于闪烁光纤屏光锥耦合的热中子探测与成像系统。基于此，研究了一种热中子高分辨（≥2pl/mm）、高探测效率（≥10%）闪烁光纤屏的光转换技术及其与光锥（optic fiber taper）的光耦合、光传输技术。依据闪烁光纤的光输出与沉积于闪烁光纤中的能量存在线性关系的基本原理，模拟计算了闪烁光纤的探测效率。通过改变入射热中子能量（热中子能量约为0.005—0.5eV)，分别记录入射能量在0.001eV、0.01eV和0.1eV时的探测情况，采用最小二乘法对所测得的数据进行拟合，获得了不同入射能量条件下的光纤长度与沉积能量拟合图（沉积能量曲线），得出了当光纤长度在10厘米以下时，沉积能量会随着闪烁光纤长度的增加而有明显变化；当闪烁光纤长度在10-13厘米范围内，能量的沉积总体趋于稳定；随着光纤长度的进一步加大，闪烁光纤内的能量沉积值虽会进一步增加，但对闪烁光纤的数组越长却是不利的——数组中的光纤之间的串扰噪声也会增大。通过模拟研究闪烁光纤屏、光锥及EMCCD器件靶面之间光量子效率、光响应及光耦合等过程，构建了中子-光子（可见光）的光转换、光耦合、光传输与光探测的高效、高分辨、高灵敏热中子数字成像系统。基于此，研究了低照度热中子成像系统的图像降质理论建模方法，探索研究了热中子数字成像的图像最优表示方法，进而研究了与新型热中子数字成像技术相适应的图像重建与处理技术，这对于提高我国热中子数字成像技术研究水平等具有重要的理论意义和潜在的应用前景。