??近日，由中科院高能所梁天驕研究員、上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院陳黎明教授、中科院物理所吳令安研究員組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)探索出一種用于真實(shí)物體的單像素中子成像的新方法。

??該方法通過深硅刻蝕和填充高中子吸收截面的粉末的方式制作了中子調(diào)制器件，使得中子束穿過調(diào)制器件后在空間上的分布具有預(yù)設(shè)置的漲落，然后再照射在成像對(duì)象上，利用不具有空間分辨能力的單像素探測(cè)器收集信號(hào)，最后將該信號(hào)和預(yù)設(shè)置的調(diào)制圖案通過強(qiáng)度關(guān)聯(lián)還原出成像物體的像，空間分辨率達(dá)到100微米。此外，研究團(tuán)隊(duì)還結(jié)合飛行時(shí)間成像模式，使成像的波長(能量)分辨率可達(dá)到0.4%，并且每幀圖案僅需1000左右的中子計(jì)數(shù)。

??上述實(shí)驗(yàn)在中國散裂中子源20號(hào)束線完成，與現(xiàn)有的中子透射成像相比，該方法成本低、裝置簡單，不僅適用于較低強(qiáng)度的緊湊型中子源，而且在上述兩方面更加適用于諸如可移動(dòng)式的激光驅(qū)動(dòng)脈沖中子源，在工業(yè)應(yīng)用、材料科學(xué)和生物學(xué)上將具有非常重大的應(yīng)用前景。

??相關(guān)研究成果近期在線發(fā)表于《Science Bulletin》(IF=9.511)，共同第一作者為高能所曾智蓉和中科院物理所博士生何雨航、黃祎祎。這項(xiàng)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目、民用空間項(xiàng)目和科學(xué)挑戰(zhàn)計(jì)劃項(xiàng)目的資助。

??中子成像利用中子的高穿透性和對(duì)輕元素靈敏等特性在無損檢測(cè)中具有獨(dú)特而重要的意義。隨著中國散裂中子源、中國先進(jìn)研究堆等大科學(xué)裝置的建成，中子成像有望在我國眾多領(lǐng)域的研究與應(yīng)用發(fā)揮重要的作用。但大型中子源機(jī)時(shí)緊張且不具有移動(dòng)性，限制了其廣泛的應(yīng)用。而對(duì)于緊湊型中子源，其強(qiáng)度又難以在可接受的時(shí)間范圍內(nèi)使用傳統(tǒng)中子成像的方法得到高空間分辨的二維圖像。另外，利用散裂中子源的脈沖時(shí)間特征，時(shí)間飛行(time-of-flight，ToF)成像模式可以進(jìn)行波長分辨，但這對(duì)中子源強(qiáng)度提出了更高的要求，緊湊型中子源也就更不具備該能力。因此，獨(dú)創(chuàng)一種利用較低強(qiáng)度、可移動(dòng)式的脈沖中子源進(jìn)行空間和時(shí)間分辨成像的方法，成為中子成像眾多實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。

??單像素成像技術(shù)，是通過使用沒有空間分辨能力的探測(cè)器進(jìn)行物理信號(hào)的采樣，需要將大量在空間上進(jìn)行調(diào)制的不同波場(chǎng)，按時(shí)間順序投射到目標(biāo)物體以獲取空間分辨，進(jìn)而重建出高空間分辨率的圖像。目前該方法已在可見光和X射線波段實(shí)現(xiàn)。因工業(yè)應(yīng)用和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域希望使用較弱的中子源實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的中子成像，由此催生了單像素中子成像技術(shù)的巨大需求。

??中子單像素成像實(shí)驗(yàn)方案。插圖是三維光學(xué)顯微鏡記錄的典型調(diào)制模式

??歸一化桶探測(cè)器信號(hào)和重建圖像。(a) 桶探測(cè)器記錄的每一幀中子束線強(qiáng)度;上圖為束線波動(dòng)，下面兩個(gè)線分別為加了字母N和條紋的束線強(qiáng)度;(b) 物體N;(c)、(d) 常規(guī)GI和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)分別從1024次采樣中獲取的物體N和圖像。(e) 條紋物體;(f)、(g) 常規(guī)GI和CNN分別從512次采樣中獲取的條紋圖像。

審核編輯 黃宇