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热中子相衬成像技术研究

作　者: 吴洋
导　师: 代君龙
学　校: 中国工程物理研究院
专　业: 核能科学与工程
关键词: 相衬成像中子照相仿真计算
分类号: TL99
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

相衬成像技术是中子照相领域的一个新的发展方向。本文的目的是研究掌握中子相衬成像的基础理论，探索利用SPRR—300多色热中子源进行中子相衬成像实验的可行性，为XXXX发展中子相衬成像技术进行技术积累，摸索提高小、薄样品和低中子质量衰减系数样品的中子照相检测质量的新方法。传统透射式中子成像方法是基于中子的粒子性，利用不同材料的中子质量衰减系数不同而获取样品内部的结构潜像，属于吸收散射衬度成像；而相衬成像是基于中子的波动性，当中子波穿过样品时，由于样品对中子的折射，不同厚度、不同材质引入的相位差不同，从而导致波前畸变，畸变的波前在穿过样品后作为次波源互相干涉成像，从而获取样品内部结构潜像。实现相衬成像的方法包括干涉法、衍射法和同轴轮廓法三种。其中干涉法和衍射法的相衬成像效果较好，但对系统的稳定性和光源的相干性(单色性)要求很高，较难在中子照相领域内开展相关研究。同轴轮廓法虽然在成像效果方面不及干涉、衍射法，可却有系统稳定性要求低、光源单色性要求不高的优点。本文简要介绍了干涉法和衍射法相衬成像技术，对同轴轮廓法相衬成像的机理和条件进行了较为详尽的理论推导，同时结合同轴轮廓法的相关优点考虑，认为该方法是目前在SPRR—300中子照相装置上开展相衬成像技术研究唯一可行的方法。根据同轴轮廓法相衬成像基本原理并针对SPRR—300中子照相装置的性能特点，提出了利用该装置进行中子相衬成像的实验方案，并进行了多次相衬成像探索实验，得到的实验结果和同轴轮廓法相衬成像理论在一定程度上吻合，虽然成像质量不高，但却部分显示出相衬成像的相关特性。故可以推定，与以前的传统成像实验相比，本论文的成像实验所获取的图像中相衬成像给与对比度的贡献获得了提高，但受实验条件和时间的限制，其相衬成像引起的边缘增强的特性显示的还不充分。为了弥补实验条件及时间的不足和更深入的研究中子相衬成像机理，需要对中子相衬成像过程进行仿真计算。本文使用ZEMAX软件对此进行了探索性研究，分别计算了不同点源孔径、物源距离、物屏距离以及样品尺寸情况时，中子对铝材料相衬成像的过程，研究了这些因素对相衬成像结果的影响，并获得了和同轴轮廓法相衬成像理论及实验相近的结果。这在一定程度上说明了使用该软件进行中子相衬成像仿真计算的可行性。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-13
  1.1 中子照相技术发展概况  8-9
  1.2 中子照相的特点和意义  9-10
  1.3 国内外射线相衬成像技术研究现状  10-12
    1.3.1 X射线相衬成像技术发展现状  10-11
    1.3.2 中子相衬成像技术发展现状  11-12
  1.4 本文研究的主要内容  12-13
第二章中子照相理论及技术  13-23
  2.1 中子照相的基本原理  13
  2.2 各种图像探测和显示方法及其特点  13-14
    2.2.1 “转换屏-X底片”成像法  13-14
    2.2.2 径迹蚀刻法  14
    2.2.3 中子数字照相法  14
  2.3 中子照相装置  14-15
  2.4 不同能量中子照相的特点  15-16
    2.4.1 热中子照相  16
    2.4.2 冷中子照相  16
    2.5.3 超热中子照相  16
    2.4.4 快中子照相  16
  2.5 准直器对中子照相质量的影响  16-18
    2.5.1 准直系统的构成和类型  17
    2.5.2 准直器与中子照相系统分辨率的关系  17-18
    2.5.3 准直器与中子照相系统反差灵敏度的关系  18
  2.6 中子照相技术的应用  18-20
  2.7 300~#反应堆中子照相装置  20-23
    2.7.1 装置结构及主要技术水平  20-21
    2.7.2 成像系统构成  21-23
第三章中子相衬成像  23-37
  3.1 相衬成像的概念提出  23-25
    3.1.1 相衬成像的基本理论  24-25
    3.1.2 光源相干性的定义  25
  3.2 相衬成像的实现方法  25-31
    3.2.1 干涉法相衬成像  26
    3.2.2 衍射相衬成像法  26-27
    3.2.3 同轴轮廓法相衬成像  27-31
  3.3 多色热中子同轴轮廓法相衬成像的实验条件  31-37
    3.3.1 光源相干性要求  31-32
    3.3.2 探测系统探测效率限制  32-36
    3.3.3 成像距离的选择  36-37
第四章 SPRR-300上的中子照相装置热中子相衬成像实验研究  37-53
  4.1 SPRR-300中子照相装置进行热中子相衬成像实验方案  37
  4.2 实验结果分析中要用到的数字图像处理技术  37-40
    4.2.1 图像帧积分技术  38-39
    4.2.2 背景消除  39
    4.2.3 灰度拉伸  39
    4.2.4 中值滤波  39-40
  4.3 测量本装置最远探测距离的实验  40-42
  4.4 物源距离对成像结果的影响  42-44
  4.5 物屏距离对成像结果的影响  44-48
  4.6 点源尺寸对成像结果的影响  48
  4.7 相衬成像基础实验  48-51
  4.8 小结  51-53
第五章单色热中子相衬成像仿真计算结果及分析  53-60
  5.1 仿真计算方法  53-54
  5.2 仿真计算结果和分析  54-58
    5.2.1 物屏距离改变对成像结果的影响  54-56
    5.2.2 点源尺寸改变对相衬成像效果的影响  56-57
    5.2.3 物源距离的改变对相衬成像结果的影响  57-58
    5.2.4 样品尺寸变化对相衬成像结果的影响  58
  5.3 小结  58-60
第六章讨论和展望  60-64
  6.1 主要存在的问题及其可能解决方案  60-62
    6.1.1 热中子相衬成像条件的问题  60-61
    6.1.2 其他因素对成像结果的影响及改进措施  61
    6.1.3 仿真计算还需完善  61-62
  6.2 XXXX上进行热中子相衬成像技术的研究和展望  62
  6.3 XXXX中子相衬成像实验方案  62-64
第七章结束语  64-65
  7.1 本论文的主要研究工作和结论  64
  7.2 总结  64-65
致谢  65-66
参考文献  66-68
附录  68-69
  附录一关于3-30式的推导过程  68-69
  附录二文章发表情况及参加学术活动情况  69

热中子相衬成像技术研究

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