基于毛细管阵列和径迹重建的高空间分辨快中子成像方法研究

Fast neutron imaging is an excellent radiography method, which has the characteristics of deep penetration and hydrogen sensitivity. It can be used in the fields of national defense safety, industrial inspection and scientific research. At present, the highest spatial resolution of fast neutron imaging detector is about hundreds of microns, which is mainly determined by the range of secondary particles generated by fast neutrons. In view of the above inherent spatial resolution limitation, a method of improving the spatial resolution of fast neutron imaging detector is proposed by measuring the track projection of the recoil proton passing through the capillary array, using track reconstruction and image correction algorithm. The specific research contents include: (1) Development of a Geant4-based simulation program to analyze the influence of capillary array parameters, light collection and recording process on track projection measurement and track reconstruction, and to optimize system design and component parameters; (2) Analyze the simulation data, extract the track features of different particles, and optimize the track reconstruction algorithm; (3) Study the image correction algorithm, analyze the changes of simulated images before and after correction, including resolution, distortion, contrast and so on. Through the research of this project, it can provide a meaningful reference for improving the spatial resolution of fast neutron imaging, and enhance the performance index and application potential of fast neutron imaging.

快中子成像是一种优良的射线成像方法，具有深穿透、对氢敏感等特点，可用于国防安全、工业检测、科学研究等领域。目前快中子成像探测器系统可达到的最高空间分辨率约几百微米，它主要是由快中子产生的次级粒子的射程所决定的。针对上述固有空间分辨限制，本项目通过测量反冲质子穿过毛细管阵列的径迹投影，采用径迹重建和图像校正算法，研究提升快中子成像探测器系统的空间分辨率的方法。具体研究内容包括：（1）开发基于Geant4的模拟程序，分析毛细管阵列参数、光收集和记录过程等对径迹投影测量、径迹重建的影响，优化系统设计及组件参数；（2）分析模拟数据，提取不同粒子的径迹特征，优化径迹重建算法；（3）研究图像校正算法，分析校正前后模拟成像结果的变化，包括分辨率、是否畸变、对比度等。通过本项目的研究，可为提高快中子成像空间分辨率的相关研究提供有意义的参考，增强快中子成像的性能指标和应用潜力。

相比于Ｘ射线成像探测系统的高空间分辨率，目前快中子成像探测系统的空间分辨率较差(几百微米至几毫米)，极大地限制了其在国防安全、工业生产、科学研究等领域的应用。本项目提出并研究了一种基于毛细管阵列的高空间分辨快中子探测器。该探测器通过记录反冲质子径迹且结合径迹重建算法重建中子作用点位置，大幅提高了快中子成像系统的空间分辨率。基于毛细管阵列的闪烁屏设计，其优势还在于保持高空间分辨率的同时，可以通过增加闪烁屏厚度，提高中子探测效率。.本项目完成了基于毛细管阵列的快中子成像探测器建模，开发并完善了基于Geant4的探测器系统模拟程序，优化了探测器结构和组件参数设计。设计并研究了一个基于1000×1000玻璃毛细管阵列（内部填充液体闪烁体）的探测器，模拟结果表明其中子-质子转换效率约为10%。通过物理分析和模拟数据分析，研究了不同情况下的质子能谱、次级粒子径迹长度和次级粒子径迹投影图像等。研究发现，由于初级中子与探测器内物质相互作用产生散射中子，散射中子与氢核相互作用，导致质子能谱为非均匀谱。反冲质子的径迹投影呈近似直线型且沿其运动轨迹的能量沉积曲线具有明显的布拉格峰；伽马光子的径迹投影呈斑状，且在毛细管中沉积能量较低；相比于质子，康普顿电子的径迹投影呈不规则曲线，且径迹投影长度更长。根据上述粒子径迹特征能够实现对质子、伽马光子和康普顿电子的甄别。通过发展基于霍夫变换的径迹重建算法，实现了单事例和多事例的反冲质子径迹重建。对于单事例径迹，径迹重建算法可以准确地重建出反冲质子径迹，结合布拉格峰位置可准确重建出中子与氢核的相互作用点位置；对于多事例径迹，径迹计数率较低时仍可准确重建。随着计数率的增加，重建算法的准确率随之下降，但对于径迹稀疏区域仍可准确重建。本项目的研究成果为惯性约束聚变诊断和核材料检测等领域的高分辨快中子成像技术研究提供重要参考。