Figure 1: 中子像增強(qiáng)器示意圖

高壓模塊HVPS以及門(mén)控控制器GCU集成在相機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部，用雙層3.2mm厚柔性硼材料包裹以防止中子對(duì)電路的干擾。同時(shí)Photek使用GCU去控制50ns門(mén)控所需要的高壓脈沖電源。光電陰極的電壓開(kāi)關(guān)是由光陰極與MCP之間的-50v偏置電壓控制，以防止無(wú)效光電子被放大。像增強(qiáng)器模塊可以在50ns尺度進(jìn)行通斷操作。門(mén)控器GCU通過(guò)USB連接到數(shù)據(jù)采集器以及電腦上，這樣可以通過(guò)軟件控制MCP增益、光電陰極開(kāi)關(guān)、門(mén)控持續(xù)時(shí)間以及延遲時(shí)序控制。利用中子源成形譜儀IMAT的信號(hào)和GCU模塊進(jìn)行同步從而來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的采集模式。

探測(cè)器記錄

N-Cam探測(cè)器的成像部分集成的是制冷型sCMOS相機(jī)，這臺(tái)相機(jī)具有2048x2048陣列格式，同時(shí)單像素尺寸為6.5μm。 此臺(tái)相機(jī)滿畫(huà)幅情況下最快成像速度是35fps，通過(guò)選擇區(qū)域ROI可以獲得更高的幀頻。在此次實(shí)驗(yàn)中成像速度介于0.1fps和30fps之間。相機(jī)的滿阱容量為30000e-，讀出噪聲＜2e-，16bit數(shù)位動(dòng)態(tài)范圍。同時(shí)暗噪聲以及其他噪聲可以通過(guò)-15℃的制冷進(jìn)行大幅度削弱。相機(jī)通訊采用USB3.0,并有專(zhuān)業(yè)的控制軟件。

使用一個(gè)45度的反射鏡將像增強(qiáng)器的輸出光反射到相機(jī)口成像，90度的探測(cè)設(shè)計(jì)可以有效減少中子束流對(duì)相機(jī)的干擾。為了進(jìn)一步防止粒子干擾以及輻射損傷，在相機(jī)外還放置了雙層3.2mm厚的柔性硼材料作為中子屏蔽防護(hù)層。75mm的探測(cè)成像區(qū)域通過(guò)Schneider-Kreuznach Componon f2.8/40mm 的鏡頭成像在上述的sCMOS相機(jī)上。同時(shí)相機(jī)還被安裝在一個(gè)可以調(diào)整聚焦位置的平移臺(tái)上。在實(shí)驗(yàn)中我們還通過(guò)鏡頭延長(zhǎng)環(huán)前移相機(jī)靶面獲得了33mm的視場(chǎng)，有效的分辨率在16.3um。

圖像處理

使用ImageJ軟件對(duì)圖像記錄并進(jìn)行處理，對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)組、平均暗場(chǎng)信號(hào)、平場(chǎng)校正信號(hào)以及樣品成像進(jìn)行編譯。首先從一組參考的背景圖中獲取出平均背景信號(hào)；為了估算出平場(chǎng)信號(hào)，我們從每一個(gè)平場(chǎng)信號(hào)中減去平均背景，平場(chǎng)信號(hào)減去背景而后進(jìn)行歸一化和平均處理這樣就可以得到平均平場(chǎng)校正信號(hào)；為了得到有效的目標(biāo)信號(hào)，對(duì)所有的目標(biāo)圖像進(jìn)行背景扣除、歸一化處理而后除以平均平場(chǎng)信號(hào)。調(diào)整對(duì)象堆棧的大小可以改變相機(jī)曝光時(shí)間。通過(guò)將平均目標(biāo)圖像除以平場(chǎng)信號(hào)，這樣可以使增益帶來(lái)的變化以及固定模式噪聲最小化【7，12】。最后處理得到的圖像再進(jìn)一步分析。

空間分辨率

為了標(biāo)定中子相機(jī)系統(tǒng)的空間分辨率，我們從the Paul Scherrer Institute (PSI)實(shí)驗(yàn)中心取得一組分辨率標(biāo)定圖。PSI提供了三組不斷減小的線對(duì)組圖(200-1000um;25-150um;5-25um)以及用于模式傳輸函數(shù)MTF分析的3°的傾角盒。通過(guò)以上工具對(duì)75mm以及30mm視場(chǎng)進(jìn)行了極限分辨率分析。

對(duì)于75mm的視場(chǎng)，IMAT中子源的針孔設(shè)置為40mm，產(chǎn)生了5x106n/cm2/s的中子束流，同時(shí)中子源輸出孔徑比為245：1。實(shí)驗(yàn)中在0.2fps情況下采集了60組平場(chǎng)信號(hào)以及60組背景信號(hào)，單大組耗時(shí)300s。分辨率標(biāo)定圖緊貼像增強(qiáng)器的前方中央位置，也記錄了60組。為了評(píng)估X、Y軸的依賴，分辨率圖也被放置在了像增強(qiáng)器邊緣位置的3、6、9以及12點(diǎn)方向，每個(gè)位置被記錄了60幀。對(duì)于30mm視場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，記錄了30張平場(chǎng)以及分辨率圖，其中分辨率圖只是放在像增強(qiáng)器中心進(jìn)行了測(cè)試。

處理圖像后，在第一和第二組線對(duì)（25-1000um）成像中重現(xiàn)出多條線陣的輪廓。同時(shí)對(duì)于不同線對(duì)的尺寸用方程二進(jìn)行對(duì)比度計(jì)算。計(jì)算圖像的MTF模式傳遞函數(shù)邊緣效應(yīng)，使用了ImageJ軟件插件，針對(duì)邊緣ROI區(qū)域進(jìn)行定義分析。

靈敏度

基于閃爍體的中子成像系統(tǒng)的靈敏度很難評(píng)估。根據(jù)最初原理 ，閃爍屏的外部量子效率如下：

中nc項(xiàng)代表是中子捕獲效率，ice項(xiàng)表示捕獲產(chǎn)生電子的效率。本次實(shí)驗(yàn)使用的Gadox閃爍體，理論上有85%的中子可以被捕獲，同時(shí)內(nèi)部電子轉(zhuǎn)換效率85%，故得出理論效率為47%。其中捕獲概率是通過(guò)NIST數(shù)據(jù)中心捕獲效率以及散射計(jì)算得出；IMAT中子成形光譜的單幀白光能量譜圖參考了Kochelmann等人的相關(guān)文獻(xiàn)【7】。

在實(shí)際過(guò)程中，由于探測(cè)器的非均勻性、光收集效率、每一次內(nèi)部中子沉積引起電子不確定性以及閃爍體內(nèi)部光產(chǎn)額，所以DQE(探測(cè)器量子效率)明顯小于QE(理論效率)。其中中子作用閃爍體的能量沉積就可以在接近0keV（這個(gè)能量有大概率從閃爍體表面產(chǎn)生和逃逸）到大于100keV(在閃爍體內(nèi)移動(dòng))。此部分，我們嘗試通過(guò)分析暴露在全白光束的信號(hào)來(lái)估算量子效率DQE，同時(shí)也考慮到系統(tǒng)內(nèi)部的光路系統(tǒng)會(huì)引起相鄰像素之間重復(fù)計(jì)算。對(duì)于一個(gè)均勻的中子通量源，每個(gè)像素點(diǎn)的平均強(qiáng)度標(biāo)記為ηFF，每個(gè)像素點(diǎn)的平均偏差σFF ,在一定區(qū)域的探測(cè)器中對(duì)捕獲的中子產(chǎn)生的內(nèi)轉(zhuǎn)換電強(qiáng)度進(jìn)行泊松分布函數(shù)表征如下方程：

其中N(x)表征的是在x大小區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生信號(hào)的中子數(shù)量，F(xiàn)N是中子通量，T是積分時(shí)間，r是相關(guān)的標(biāo)度長(zhǎng)度，可以認(rèn)為是中子源產(chǎn)生的光的半徑。通過(guò)對(duì)得到的全白光平場(chǎng)數(shù)據(jù)針對(duì)不同Binning進(jìn)行整合處理，而后用方程4擬合得到DQE和r值。在標(biāo)準(zhǔn)的像增強(qiáng)器設(shè)置情況下，1s積分時(shí)間，獲得了IMAT光源（80mm，中子通量2x107n/cm2/s）的平場(chǎng)數(shù)據(jù)。在連續(xù)成像模式下，采集了150幀平場(chǎng)的參考圖像，同時(shí)在之前又采集了5幀信號(hào)圖像。數(shù)據(jù)的矯正處理通過(guò)上述提到的方程1進(jìn)行處理.

Figure 5: 不同尺寸線寬 、不同積分時(shí)間75mm視場(chǎng)下對(duì)比度     Figure 6: 75mm不同分辨率條件下75mm視場(chǎng) MTF曲線（5、10、30、300s曝光時(shí)間）

DQE探測(cè)器量子效率

對(duì)成像區(qū)域的24mm*24mm進(jìn)行平場(chǎng)成像區(qū)域進(jìn)行校正, 曝光時(shí)間T=5s,中子流量FN = 2x107n/cm2/s , 并對(duì)此區(qū)域內(nèi)使用泊松分布平場(chǎng)進(jìn)行了矯正。 通過(guò)方程4進(jìn)行擬合，而后估算得到的DQE=16.1%,中子產(chǎn)生的光半徑r=81um。低于理論結(jié)果的47%，這是由于閃爍體表面的低能量損耗、探測(cè)器不均勻性以及儀器其他噪聲的綜合影響。r=81um表示距離像素邊緣一定距離的中子互相作用將對(duì)相機(jī)信號(hào)產(chǎn)生影響。考慮到基于熒光屏的光散射，這個(gè)數(shù)值并不奇怪，并且和上述的MTF測(cè)量值一致，在2.5lp/mm情況下，50%對(duì)比度，200um線寬，大致為2r。未來(lái)將研究Gadox閃爍體的替代材料，以確定它們對(duì)r的影響和系統(tǒng)的極限分辨率。

對(duì)比度波動(dòng)

圖10給出了600s積分情況下對(duì)比度分析成像組的平場(chǎng)對(duì)比度圖像。其中如像圖10b所示，有四個(gè)長(zhǎng)方形的模塊以及一個(gè)鋁制支架、兩個(gè)鈦材料螺絲組成。每一個(gè)長(zhǎng)方形的尺寸為5mm寬、25mm長(zhǎng)，銅材料（左側(cè)10a）和鋁材料（右側(cè)10c）兩大組中分別是以1mm遞增的5-9mm以及10-14mm的厚度。

10a) Copper step-wedge from 5 to 14mm in 1 mm steps    10b) Contrast Phantom    10c) Aluminum Step-wedge from 5 to14 mm in 1 mm steps

Photek Limited

26 Castleham Road, St Leonards on Sea, East Sussex, TN38 9NS, United Kingdom

Revision 1 Last Updated: 03/04/202

圖11通過(guò)方程5分析測(cè)量了不同厚度情況下的透過(guò)噪聲曲線。 通過(guò)圖11可以得出1.0cm與1.1cm厚度鋁材料之間得CNR值是2.6。相同厚度的銅材料CNR是11.4。假定CNR=1的情況是最小可以檢測(cè)的分辨率對(duì)比度，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于鋁的可探測(cè)的最小對(duì)比度是0.26%，銅是0.3%，表明圖像中的灰階值應(yīng)該是350。這個(gè)值同時(shí)也取決于中子束特性、樣品的成分以及幾何結(jié)構(gòu)。

Figure 11a. Transmission through the aluminum step-wedge with error bars representing 1 σ noise.

Figure 11a. Transmission through the copper step-wedge with error bars representing 1 σ noise.

結(jié)論

N-cam在75mm視場(chǎng)下分辨率為10lp/mm（300s曝光測(cè)試時(shí)間）。曝光時(shí)間減小到30s以上對(duì)分辨率幾乎沒(méi)有影響。將曝光時(shí)間減小到30s以下時(shí)，分辨率也在10lp/mm，但會(huì)影響到分辨率。因此，采集300s積分情況下的平場(chǎng)、暗場(chǎng)圖像，采集360度旋轉(zhuǎn)的成像，一次斷層掃描成像最快需要通過(guò)5次拍攝歷時(shí)40分鐘或者30次拍攝耗時(shí)3個(gè)小時(shí)。N-cam在測(cè)試過(guò)程中顯示了x,y方向的依賴性，其中y方向?qū)D像的影響大于x方向，但是其中的原因需要進(jìn)一步的研究確定。同時(shí)系統(tǒng)的量子效率得出是16.1%，閃爍體的厚度會(huì)影響量子效率，同時(shí)也會(huì)影響小視場(chǎng)情況下的分辨率，這一點(diǎn)也有待研究。然而，對(duì)于75mm的大視場(chǎng)的影響可以忽略不計(jì),與理論值近似，這主要是因?yàn)榇笠晥?chǎng)情況下的有效像素點(diǎn)比較大所以影響較小。

1. E. Lehmann, "Neutron Imaging Facilities in a Global Context," Journal of Imaging, vol. 3, no. 52, pp. 1-11, 2017.
2. B. Schillinger et al, "Neutron Imaging in Cultural Heritage Research at the FRM-II Reactor of the Heinz Maier-Leibnitz Center," Journal of Imaging, vol. 4, no. 22, p. 1–11, 2018.
3. E. Lehmann et al, "Recent Application of Neutron Imaging Methods," Physics Procedia, vol. 88, pp. 5-12, 2017.
4. E. Lehmann et al, "Status and Perspectives of Neutron Imaging Facilities," Physics Procedia, vol. 88, pp. 140-147, 2017.
5. IAEA, Neutron Imaging as an NDT Tool, 2008.
6. IAEA, "Neutron Generators for Analytical Purposes," 2012.
7. W. Kochelmann et al, "Time-of-Flight Neutron Imaging on IMAT@ISIS: A New User Facility for Material Science," Journal of Imaging, vol. 4, no. 47, pp. 1-22, 2018.
8. A. A. Harms and G. McCormack, "Isotopic Conversion in Gadolinium Exposure Neutron Imaging," Nuclear Instruments and Methods, vol. 118, pp. 583-587, 1974.
9. P. Kandlakunta et al, "Measurement of Internal Conversion Electrons from Gd Neutron Capture," Instrument and Methods in Physics Research A, vol. 705, pp. 36-41, 2013.
10. NIST, "ESTAR Stopping Power and Range Tables for Electrons," 2020. [Online]. Available: https://physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/ESTAR.html.
11. J. L. Wiza, "Microchannel Plate Detectors," Nuclear Instrumentation & Methods, vol. 162, p. 587– 601, 1979.
12. B. Schillinger, "An Affordable Image Detector and Low Cost Evaluation System for Computed Tomography using Neutrons, X-Rays, or Visible Light," Quantum Beam Science, vol. 3, no. 21, p. 1– 13, 2019.
13. NIST NCNR, "Neutron Activation and Scattering Calculator," 2020. [Online]. Available: https://www.ncnr.nist.gov/resources/activation/.

相關(guān)產(chǎn)品

Photek公司新推出的N-Cam中子相機(jī)系統(tǒng)是一款具有高靈敏度、高分辨率同時(shí)易于使用的中子相機(jī). N-Cam 可實(shí)現(xiàn)快速的層析中子成像、動(dòng)態(tài)成像攝像、特定能量波段成像以及支持單中子計(jì)數(shù)模式. 使用N-Cam相機(jī)，可以在不犧牲分辨率和成像質(zhì)量的基礎(chǔ)上顯著縮短采集時(shí)間。

同時(shí)N-Cam是一種新型的像增強(qiáng)型中子成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)將閃爍體Gadox層直接沉積在像增強(qiáng)輸入模塊。此像增強(qiáng)模塊的應(yīng)用提供了更高的靈敏度以及出色的空間分辨率，積分時(shí)間更短，同時(shí)提高了信噪比。N-Cam具有 低至50ns門(mén)控單元，提供精確的門(mén)控時(shí)間以于飛行時(shí)間能量質(zhì)譜分析。標(biāo)準(zhǔn)配置的N-Cam中子相機(jī)配備420萬(wàn)像素的制冷型sCMOS相機(jī)和一個(gè)直徑為75mm的像增強(qiáng)器視場(chǎng)，可以提供在大于10 lp/mm分辨率基礎(chǔ)下進(jìn)行高速或特定能量的x射線成像。

其他視場(chǎng)大小，比如150mm 像增強(qiáng)可選，聯(lián)系先鋒科技了解更多關(guān)于Photek的標(biāo)準(zhǔn)和定制的解決方案，為您的高端高能成像提供更多可能. 根據(jù)不同視場(chǎng)探測(cè)器有一系列可供選擇的定制方案！

N-Cam具有高靈敏度，同時(shí)軟件易于使用，從而有助于顯著減少圖像采集時(shí)間，同時(shí)保持良好的空間分辨率和高圖像信噪比。N-Cam利用更短的曝光時(shí)間來(lái)識(shí)別待測(cè)物品中更小的空隙和更細(xì)微的成分變化，從而可以在相同的時(shí)間處理更多的樣品或達(dá)到更快的斷層層析成像。 

N-Cam使用20μm 厚的Gadox閃爍體直接應(yīng)用于75mm Photek像增強(qiáng)器前端（如右下圖所示）。像增強(qiáng)器中單層微通道板后端使用具有快速衰減時(shí)間的P46熒光屏，使閃爍體的光信號(hào)可放大104倍，而后聚焦成像在具有2048 x 2048像素，等效像素38μm的制冷型sCMOS相機(jī)上。與傳統(tǒng)中子相機(jī)比較，N-Cam可以在不犧牲空間分辨率的情況下通過(guò)像增強(qiáng)器顯著提高靈敏度。通過(guò)理論估算和實(shí)驗(yàn)分析,N-Cam在中子通量為2×107n/cm2/s情況下依然可以達(dá)到很好的信噪比。同時(shí)由于N-Cam的高靈敏度因此在低通量中子實(shí)驗(yàn)中仍然可以進(jìn)行成像分析。 

碳化硼和柔性硼屏蔽結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可在大幅度上保護(hù)儀器免受外部中子實(shí)驗(yàn)干擾從而提高儀器使用壽命；Photek針對(duì)N-cam開(kāi)發(fā)有圖像采集軟件可精確穩(wěn)定的控制此套系統(tǒng)，同時(shí)可與用戶的硬件集成，實(shí)現(xiàn)中子攝像成像、層析成像、時(shí)間分辨分析等應(yīng)用.N-cam系統(tǒng)可以放心的安裝在各種表面或機(jī)器中。

不同角度輻射成像:鋁材料覆蓋的M3-M8鈦螺絲、銅球以及硼硅球