基于单加速器的X射线及中子射线双模成像方法研究

As the attenuation of neutral radiation is determined by both the mass thickness and the mass attenuation coefficient of the inspected material, which is penetrated by the neutral radiation, the composition of the inspected material thus cannot be acquired through analyzing the attenuation of only one radiation, which can be X-ray or neutron. However, if the attenuation of X-ray and neutron can be fused together, then both the mass thickness and the mass attenuation coefficient of the inspected material can be acquired. Thus, not only the geometric image, which is based on information of the mass thickness, but also the composition of the inspected material, which is based on information of the mass coefficient, can be simultaneously provided. Because the usual used facilities of X-ray imaging and neutron imaging can only provide single-radiation-imaging, a bimodal radiation imaging method realized with a single electron accelerator, in which the X-ray beam and neutron beam can be simultaneously provided, will be researched. The X-ray image and energy selective neutron image of the inspected material will be acquired and fused to extract information of the geometry and the composition of the inspected material. The research in this proposal will enhance the ability of the non-destructive analysis of China, which in turn improves the state of the art of the industrial manufacturing.

X射线、中子射线成像均是重要的无损检测方法。由于中性射线的衰减程度是由射线所穿透成像物的质量衰减系数和质量厚度共同决定的，仅凭单一射线的衰减信息无法实现对成像物物质构成的分析。如果将X射线衰减和中子衰减这两个信息进行融合，则质量衰减系数和质量厚度这两个未知量就都可以知道，从而在传统的分析几何结构信息（由质量厚度信息提供）的基础上，还能进一步分析成像物的物质构成（由质量衰减系数提供）。但一般的X射线成像装置和中子成像装置都无法同时提供两种成像能力。本项目提出基于单加速器的双模成像方法，在一个电子加速器的驱动下，同时获得X射线成像束流和慢（热）中子分能成像束流，对同一个成像物分别进行X射线成像和分能中子成像，并研究将两种射线成像信息的融合方法，同时提取成像物的几何结构和物质构成信息。本研究将促进我国射线无损检测技术的发展，助力重要工业技术的升级。

项目背景：“基于单加速器的X射线及中子射线双模成像方法研究”是受国家自然科学基金委的资助所开展的重点项目，由清华大学和中国工程物理研究院核物理与化学研究所共同承担。主要研究利用单一电子加速器来同时实现中子成像和光子成像，并将二者进行融合的方法。.主要研究内容：项目主要研究了（1）利用单一电子加速器来实现同成像几何光路的双模源；（2）能够同时开展中子成像和光子成像的双模探测器；（3）双模成像系统的高信本比设计方法；（4）中子图像和X射线图像的融合方法，以及基于此的物质识别方法。.重要结果：在研究过程中，我们在国际上第一次真正解决了同光路中子/光子成像的技术难题。目前，国际同行均按照瑞士保罗·谢尔（PSI）研究所E. Lehmann所提出的基于散裂/反应堆中子源与X射线管的双模成像方案。在这种方案中，由于中子和X射线来自于不同的射线源，不仅带来了双源系统的复杂性，同时也带来了固有的无法解决的成像异路问题——无法直接对中子图像和X射线图像进行融合。我们所提出的双模成像源彻底地解决了这个问题，它能以同一个射线源来同时提供成像中子和X射线束流，不存在成像视差。这个工作被国际中子成像协会（ISNR）作为2021年度的重要进展在2021 newsletter中重点介绍。与此同时，我们完成了利用同一个成像探测器来同时实现中子成像和X射线成像，并基于此完美地实现了图像融合。创造性地提出了基于融合信息的物质自动识别算法，成功实现免人工干预地航发叶片残芯自动检出。.关键数据：所研制的基于9MeV/900W电子加速器，实现了2E11n/s的产额，在100:1的准直比下实现了2.5E3/cm2/s的热中子成像注量率，获得了好于200μm的成像分辨率。基于这个技术，可以在30分钟之内完成对单个航发叶片的检测。.科学意义：通过本项目的研究，我们在国际上以单射线源实现了真正的双模成像，从而使得物质识别技术不必再依赖大型中子源，利用紧凑的电子加速器即可成为现实，这将会极大地推动射线无损检测技术由第一代（单模）向第二代（双模）进化，为工业检测、材料科学、机械制造、土木工程、生物科学等广泛应用与学科范围内的研究提供重要的分析方法与手段。