中子成像与X射线成像：原理互补与断层扫描全解析
本文介绍中子成像与 X 射线成像的互补原理，讲解中子射线照相与断层扫描技术，阐述其在工业无损检测、动态过程监测等场景的应用，并结合 CCD、sCMOS、EMCCD 等相机方案，说明该技术的实现与优势。
▌中子射线成像
中子射线成像（NR，后续简称为中子成像）是一种有效的非破坏性成像系统，它利用能中子探测各种材料的内部结构。
与X 射线成像不同，中子只与原子核相互作用。这种相互作用的差异意味着热中子的衰减模式与X射线不同，因为X射线的衰减完全取决于材料密度，密度更高的材料能够阻挡更多穿过的X射线。而对于中子而言，样品对其的衰减能力与密度无关。
硼等轻质材料会吸收中子，因此硼被用于核反应堆控制棒。氢通常会散射中子，而许多常见金属则允许中子穿过其结构。由于中子与材料的相互作用方式不同，中子成像可以被视为X射线成像的补充。
由于不同材料的衰减特性各异，穿过样品的中子束可以被解读为携带样品成分和结构信息的信号。简单来说，用X射线照射铸铁件可以看到不透射线的形状，但中子成像却能清晰地展现铁材料内部的气泡或微裂纹等细节。
▌中子成像应用
中子成像和断层扫描（三维射线成像）是检测金属铸件内部结构，检查是否存在空隙和缺陷的有效技术，也是检测那些非破坏就无法暴露的缺陷的通用技术。
一个很好的例子是检查金属部件内部橡胶O圈的位置和完整性。中子射线照相术还可以用于检测复杂的工艺过程，例如追踪金属铸件（如内燃机）甚至岩石和土壤基质中微量含氢化合物的扩散。
在另一个例子中，研究人员对两种不同颗粒形态的部分水饱和压实石英砂进行了研究。双重成像方法能够更有效地区分固体二氧化硅、液态水和气相，并获得孔隙率、孔隙率变化和粒度分布数。
短时曝光中子射线照相术可用于追踪快速周期性过程。例如，可用于检测运行中的质子交换膜燃料电池中的水流、测量含锂电极中锂离子的扩散系数以及对特殊核材料中的裂变中子进行成像。
动态过程会给断层扫描数据的采集带来挑战。这是因为通常不允许样本在扫描过程中发生变化，否则可能会导致运动伪影。然而，通过按既定顺序采集投影，仍然可以从扫描过程中发生变化的样本中获得良好的时空数据。
▌中子源
大多数中子成像都使用热中子，热中子是指能量约为0.025电子伏特的中子。使用热中子的原因有两个。首先，该能量范围内的中子具有最有效的衰减特性。其次，热中子很容易通过慢化处理获得。
使用来自点源（例如核反应堆）的中子通常意味着它们的能量高于热中子，且方向发散。因此，必须减慢快中子的速度并对中子束进行准直，才能生成高分辨率的清晰X光图像。
▌获取基于中子的图像
用于中子成像的探测器能够测量垂直于束流方向的二维中子场。探测器面积必须与束流截面相当或更大。此外，边界条件还包括探测器的空间和时间分辨率，而不同探测器系统的分辨率可能差异很大。
电荷耦合器件 (CCD) 通常用作中子断层扫描的成像相机。牛津仪器 Andor 科学成像 CCD 相机系列，例如 iKon L-936，凭借其极低的噪声、-100 °C 的冷却能力和最高的量子效率，可提供最佳性能，是理想之选。
▲科学级CCD相机 iKon-L 936
然而，CCD在某些中子探测应用中存在局限性，例如实时动态过程的探测，其有效读出速度仅为3-5 MHz。这对于监测静止物体或缓慢过程非常有效，但对于更快的帧速率要求或进行更快的3D断层扫描，则需要使用其他相机/探测器。
牛津仪器 Andor 的Zyla 是一款低噪点、大视野范围、每秒 100 帧全帧拍摄的相机，对较小感兴趣区域则可实现更快的拍摄速度。
▲科学级sCMOS相机Zyla
如果应用还需要单光子灵敏度，则应选择电子倍增电荷耦合器件(EMCCD) 探测器，例如具有 30 MHz 和 26 fps 快速读出能力的 iXon Ultra 888。EMCCD探测器通常提供 >90% 的量子效率，以及在约 30 fps 帧速率下实现的单光子灵敏度。EMCCD 的增强灵敏度可实现更快的 3D 断层扫描，并克服系统固有的光学损耗。
▌结论
尽管迄今为止中子成像和X射线成像一直作为独立技术使用，但在某些情况下，它们已被以混合方式结合起来，用于一种新型的双模对比成像技术。中子断层扫描和X射线图像经过处理和组合，可以提供新的视角。为此，牛津仪器提供理想的相机，以满足您的各种应用需求。
▌中子射线照相术和断层扫描原理
▲图1：中子断层扫描示意图
中子成像具有广泛的工业和科学意义，可以提供有关物体内部结构和成分的详细信息。
中子成像的原理是基于定向中子束穿过物质时，物质通过散射和吸收对其产生的衰减。由于不同材料对中子的衰减能力不同，因此可以探测物质的成分和结构。中子束可以由反应堆、发射中子的同位素或质子加速器中的靶产生。该技术具有非破坏性，已被有效地应用于具有考古意义的文物研究。
中子成像技术并非与X射线成像技术竞争，而是与其完全互补。X射线会被电子散射和吸收，因此电子层数越多的原子相互作用越强；而中子则直接与原子核相互作用。此外，这种相互作用的程度并无明显的周期性规律，即使是同一元素的同位素，其衰减能力也可能存在显著差异。
氢与中子相互作用非常强烈，而大多数金属则能有效透射中子，二者之间存在着显著的对比度，这一点尤其具有实际意义。这与X射线成像截然不同，并提供了一种有效观察金属容器中含氢有机物质动态变化的方法，例如观察发动机内的燃料。它同样可以用于观察嵌入金属结构中的塑料密封件或润滑剂。某些材料的衰减程度有时取决于中子的能量，例如快中子或热中子，铁就是这种情况。
中子射线成像是将物体置于中子束路径上，测量投射到中子探测器上的物体阴影图像。中子探测器通常由闪烁体和光学耦合的 CCD 或 EMCCD 相机组成。中子层析成像术更进一步，需要旋转样品，并在180°的角度范围内记录多幅二维图像。根据这些数据，可以构建物体的三维模型。图1展示了一个典型的系统设置。
▌用于中子射线照相/断层扫描的相机解决方案
传统上，CCD 一直被用作中子断层扫描的成像相机。牛津仪器的科学成像相机系列产品凭借其极低的噪声、-100°C 的冷却能力和最高的量子效率，可提供最佳性能，是理想之选。
然而，CCD 在某些中子探测应用中存在局限性，例如实时动态过程的探测，其有效读出速度仅为 3-5 MHz。尽管如此，由于前面提到的特性，这对于监测静止物体或缓慢过程仍然非常有效。
对于更快的帧速率要求，或者要执行更快的 3D 断层扫描（或 4D（3D + 时间）），需要采取不同的相机选择方法。
牛津仪器的多款 sCMOS 相机均可用于断层扫描，它具有低噪声、目标视场角和每秒 100 帧的拍摄速率，并且在较小的感兴趣区域内拍摄速度更快。如果应用还需要单光子灵敏度，则应选择 EMCCD 探测器。
EMCCD探测器可提供超过90%的量子效率，以及在超过30帧/秒的帧速率下对单光子的灵敏度。EMCCD增强的灵敏度和速度为实现更快的3D断层扫描铺平了道路。EMCCD的优势克服了系统固有的光学损耗。
▲EMCCD相机
图 2 中的 QE 曲线和表 1 中列出的相机显示了中子断层扫描的一些可用选项。
▲图2：部分 QE 曲线
▌应用举例
无损检测 (NDT)：
▲图3：来自塔尔维尔的汞
图 3 展示了瑞士苏黎世国家博物馆展出的著名青铜雕塑“塔尔维尔的墨丘利”的虚拟切片。借助中子断层扫描技术，可以完全无损地研究其内部结构和铸造缺陷。由于常用的 X 射线无法穿透含铅量高的合金，因此需要使用中子。
中子断层扫描在瑞士保罗·谢勒研究所的 NEUTRA 装置进行。图片由 NEUTRA 装置的 Eberhard H. Lehmann 提供。
现场测试：
图 4 显示了一个喷淋喷嘴，其中包含一根充满液体的管子。为了确保质量和功能正常，我们对喷嘴周围的密封圈进行了现场（安装后）检查。与周围的金属结构相比，橡胶和液体能为中子提供更高的对比度。
有机材料研究：
▲图5：一只螃蟹，展示其壳内结构。
图5展示了一只外形尺寸为20厘米的螃蟹，对其进行研究是为了观察其壳内的内部器官。中子对有机物具有很高的对比度。
▌产品推荐
科学级CCD相机
科学级sCMOS相机
EMCCD相机
▌参考文献
1.Pleinert et al., ‘Design of a New CCD-Camera Neutron Radiography Detector’, Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. A, 1997, volume 399, 382
*本篇技术应用原文出自牛津仪器科技(上海)有限公司。
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