非期望中子对快中子图像的影响及其校正

快中子成像技术在聚变区中子图像诊断、库存核武器检查和反恐安检等应用领域受到了广泛的重视。为提高快中子成像效率，常使用厚度达几厘米甚至十几厘米的闪烁体或闪烁光纤阵列作为快中子辐射转换体，但这同时也提高了散射中子和次级中子等非期望中子的探测效率，使得非期望中子对图像的退化作用不可忽略。本项目拟通过快中子成像数值模拟和相关验证实验研究上述两种非期望中子的能量分布和空间分布特性，定量掌握非期望中子对快中子图像的退化作用，进一步建立包含多种材料的快中子成像点扩展函数库，通过图像迭代等处理方法，去除非期望中子对图像对比度和分辨率的影响，揭示聚变区真实物理图像或无损检测样品内部结构。通过本项目的研究，希望促进快中子成像技术在实际应用中的进程，为快中子成像在聚变区中子图像诊断等相关领域的应用做出贡献。

在快中子成像技术中，快中子的高效率探测往往使用较厚的辐射转换体，如闪烁光纤阵列等。但该方法同时也提高了散射中子和次级中子等非期望中子的探测效率，降低了图像质量。本项目通过开展模拟计算与验证性实验，在认知非期望中子对图像的退化规律等方面取得了一定进展。利用蒙特卡洛方法建立了快中子照相数值模拟程序，计算获得了DD中子和DT中子入射条件下Fe等样品的非直穿中子能谱分布与空间分布特性；对基于闪烁光纤阵列构建的快中子照相系统进行了点扩展函数的数值计算，分析了光纤截面尺寸、中子源尺寸及几何条件对系统PSF的影响。实验方面，利用基于闪烁光纤阵列的高探测量子效率快中子照相系统进行了验证性实验，获得了聚乙烯样品和铁样品的快中子图像。通过对样品锐边界图像的处理，获得了照相系统的PSF。当样品为聚乙烯时，系统PSF的FWHM与模拟结果符合，约为1mm~1.1mm；而当样品为铁时，系统PSF的FWHM为1.5mm。这表明系统的PSF与样品材料有关。对于聚乙烯样品和铁样品，由于源中子与样品散射角度的分布差异，导致对于不同的样品系统的PSF不同。图像处理方面，通过对快中子图像直方图的分析获得了图像的对比度。实验获得的图像对比度与理想情况下的图像对比度存在较大差异。利用模拟结果对实验结果进行了初步分析，分析结果表明在扣除来自样品的散射中子和厚闪烁光纤阵列内部次级中子的作用后，实验获得的对比度与计算结果一致。通过Lucy-Richardson图像迭代方法获得了中子束二维分布。