本發(fā)明涉及中子成像物理和方法領(lǐng)域，具體的說是一種雙波長中子光柵干涉儀的成像方法。

背景技術(shù)：

中子光柵干涉儀利用中子的波動性來產(chǎn)生被成像物體的圖像，并且能夠同時提供被成像物體的吸收、折射和暗場圖像。其中吸收圖像與被成像物體的衰減性質(zhì)相關(guān)，折射圖像與中子穿透被成像物體時的相移相關(guān)，暗場圖像則來源于被成像物體的小角散射性質(zhì)。近年來，中子光柵干涉儀已經(jīng)被應(yīng)用于塊材內(nèi)部磁疇結(jié)構(gòu)的原位可視化、燃料電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表征等。

在中子光柵干涉儀中，類似于x射線光柵干涉儀情形，探測器記錄的被成像物體的投影圖像同時包含了被成像物體的吸收、折射和暗場信號，即圖像襯度來自于被成像物體吸收信號、折射信號、暗場信號的非線性混合貢獻(xiàn)。而定量表征、圖像判讀、計算機(jī)三維斷層重建等實際應(yīng)用都要求獲取獨立、純粹的被成像物體吸收、折射和暗場信號。因此，如何從被成像物體投影圖像中分離得到純粹的吸收、折射和暗場信號是近年來的研究熱點之一。

目前，中子光柵干涉儀普遍采用相位步進(jìn)法進(jìn)行被成像物體的三種不同信號的分離。這種方法要求繁瑣的機(jī)械步進(jìn)光柵掃描，導(dǎo)致了冗長的成像實驗時間，降低了中子光源的利用效率；受中子源多色性的影響，分離得到的物體吸收信號、折射信號都不是定量的，帶有一定的不確定性。這些局限性阻礙了中子光柵干涉儀在材料定量表征等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。因此，發(fā)展新的成像方法，克服相位步進(jìn)法光柵步進(jìn)掃描、不定量的局限性，是未來中子光柵干涉儀推廣應(yīng)用中必須解決的問題之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為避免現(xiàn)有成像方法的不足之處，提出一種雙波長中子光柵干涉儀的成像方法，以期能簡化硬中子光柵干涉儀的成像過程，提高數(shù)據(jù)采集效率，并定量提取被成像物體的吸收和折射信號，從而為實現(xiàn)快速、定量的中子光柵干涉儀成像提供新途徑。

為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明一種雙波長中子光柵干涉儀的成像方法，所述中子光柵干涉儀包括：中子源、源光柵、速度選擇器、相位光柵、分析光柵和探測器；在所述速度選擇器和相位光柵之間設(shè)置有被成像物體；所述被成像物體貼于所述相位光柵的內(nèi)側(cè)設(shè)置；在所述相位光柵的外側(cè)設(shè)置有所述分析光柵；所述相位光柵到所述分析光柵的軸向距離為d；所述探測器貼于所述分析光柵的外側(cè)；其特征是，所述成像方法按如下步驟進(jìn)行：

步驟1、固定所述相位光柵和所述分析光柵，并移動所述源光柵，移動距離為所述源光柵的四分之一周期，使得所述中子光柵干涉儀固定在光強(qiáng)曲線的半腰位置；所述移動方向為同時垂直于光軸和光柵柵條的方向；

步驟2、依次啟動所述中子源和所述速度選擇器，設(shè)置第一等效波長為λ1；啟動所述探測器，設(shè)置曝光時間為t；

利用所述探測器按照所述曝光時間t獲取第一背景投影圖像i1后，依次關(guān)閉所述中子源和所述速度選擇器；

步驟3、將所述被成像物體放置到所述相位光柵的視場中央，依次啟動所述中子源和所述速度選擇器，設(shè)置第一等效波長為λ1，并利用所述探測器按照所述曝光時間t獲取所述被成像物體的第一投影圖像i′1后，依次關(guān)閉所述中子源、所述速度選擇器和所述探測器；

步驟4、依次啟動所述中子源和所述速度選擇器，設(shè)置第二等效波長為λ2；啟動所述探測器，設(shè)置曝光時間為t；

利用所述探測器按照所述曝光時間t獲取第二背景投影圖像i2后，依次關(guān)閉所述中子源和所述速度選擇器；

步驟5、將所述被成像物體放置到所述相位光柵的視場中央，依次啟動所述中子源和所述速度選擇器，設(shè)置第二等效波長為λ2，并利用所述探測器按照所述曝光時間t獲取所述被成像物體的第二投影圖像i′2后，依次關(guān)閉所述中子源、所述速度選擇器和所述探測器；

步驟6、利用式提取所述被成像物體在等效波長λ的吸收信號t^λ：

式(1)中，常數(shù)k1滿足k1＝lns(p2/4)或k1＝lns(-p2/4)，其中，p2是所述分析光柵的周期；s(p2/4)為所述中子光柵干涉儀的光強(qiáng)曲線在p2/4處的數(shù)值；

步驟7、利用式(2)提取所述被成像物體在等效波長λ的折射信號α^λ：

式(2)中，常數(shù)k2滿足或其中，為所述中子光柵干涉儀的光強(qiáng)曲線的一階導(dǎo)數(shù)在p2/4處的數(shù)值；

以所述被成像物體在等效波長λ的吸收信號t^λ和折射信號α^λ作為所述成像方法的結(jié)果。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明利用了被成像物體的吸收信號與折射信號的能量變化規(guī)律，提出了雙波長中子光柵干涉儀成像新方法，解決了物體吸收、折射信號的定量提取問題；克服了現(xiàn)有相位步進(jìn)法要求光柵機(jī)械掃描的局限性，簡化了成像過程，實現(xiàn)了快速、定量的中子光柵干涉儀成像；

2、與現(xiàn)有的相位步進(jìn)法相比，本發(fā)明利用被成像物體的吸收信號與折射信號的能量變化規(guī)律，簡化了中子光柵干涉儀的成像方程，能夠定量提取物體的吸收和折射信號；

3、與現(xiàn)有的相位步進(jìn)法相比，本發(fā)明在獲取物體投影圖像時，通過將中子光柵干涉儀固定在光強(qiáng)曲線的半腰位置，摒棄了繁瑣的光柵機(jī)械掃描，極大地提高了數(shù)據(jù)采集效率。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中中子光柵干涉儀示意圖；

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中中子光柵干涉儀的光強(qiáng)曲線圖；

圖3為現(xiàn)有技術(shù)中材料鈦的吸收信號的能量變化規(guī)律圖；

圖4為現(xiàn)有技術(shù)中材料鈦的折射信號的能量變化規(guī)律圖；

圖5為本發(fā)明中被成像物體7在等效波長4埃的吸收信號；

圖6為本發(fā)明中被成像物體7在等效波長4埃的折射信號；

圖中標(biāo)號：1中子源；2源光柵；3速度選擇器；4相位光柵；5分析光柵；6探測器；7被成像物體。

具體實施方式

如圖1所示，中子光柵干涉儀包括：中子源1、源光柵2、速度選擇器3、相位光柵4、分析光柵5和探測器6；在速度選擇器3和相位光柵4之間設(shè)置有被成像物體7；被成像物體7貼于相位光柵4的內(nèi)側(cè)設(shè)置；在相位光柵4的外側(cè)設(shè)置有分析光柵5；相位光柵4到分析光柵5的軸向距離為d；探測器6貼于分析光柵5的外側(cè)；本實施例中，雙波長中子光柵干涉儀的成像方法是按如下步驟進(jìn)行：

步驟1、固定相位光柵4和分析光柵5，并移動源光柵2，移動距離為源光柵2的四分之一周期，使得中子光柵干涉儀固定在光強(qiáng)曲線的半腰位置，如圖2所示；移動方向為同時垂直于光軸和光柵柵條的方向；

中子光柵干涉儀固定在光強(qiáng)曲線的左半腰或右半腰位置，不僅摒棄了繁瑣的光柵機(jī)械掃描，而且能夠更加準(zhǔn)確地提取被成像物體7的吸收和折射信號。

步驟2、依次啟動中子源1和速度選擇器3，設(shè)置第一等效波長為λ1；啟動探測器6，設(shè)置曝光時間為t1；

利用探測器6按照曝光時間t1獲取第一背景投影圖像i1后，依次關(guān)閉中子源1和速度選擇器3；

步驟3、將被成像物體7放置到相位光柵4的視場中央，依次啟動中子源1和速度選擇器3，設(shè)置第一等效波長為λ1，并利用探測器6按照曝光時間t1獲取被成像物體7的第一投影圖像i′1后，依次關(guān)閉中子源1、速度選擇器3和探測器6；

以中子光柵干涉儀固定在右半腰p2/4為例。探測器6獲取的被成像物體7的第一投影圖像i′1滿足：

i′1＝i1×exp(-t^λ1)×s(p2/4+dα^λ1)(3.1)

式(3.1)中，t^λ1是被成像物體7在等效波長λ1的吸收信號；s()是中子光柵干涉儀的光強(qiáng)曲線(圖2所示)；p2是分析光柵5的周期；α^λ1是被成像物體7在等效波長λ1的折射信號。對式(3.1)取對數(shù)，得到

-ln(i′1/i1)＝t^λ1-lns(p2/4+dα^λ1)(3.2)

被成像物體7對中子的折射信號α^λ1是非常小的，滿足α^λ1＜＜(p2/4d)；對于小折射信號，能夠合理地對lns(p2/4+dα^λ1)作一階線性近似，將非線性成像方程簡化為線性方程，

式(3.3)代入式(3.2)可得到，

k1-ln(i′1/i1)＝t^λ1-k2×α^λ1(3.4)

式(3.4)中，常數(shù)k1滿足k1＝lns(p2/4)；s(p2/4)為中子光柵干涉儀的光強(qiáng)曲線在p2/4處的數(shù)值；常數(shù)k2滿足為中子光柵干涉儀的光強(qiáng)曲線的一階導(dǎo)數(shù)在p2/4處的數(shù)值。

如圖3所示，被成像物體7的吸收信號t^λ1隨波長的變化規(guī)律滿足，

t^λ1＝c1×λ1(3.5)

其中c1是與波長無關(guān)的常數(shù)。

如圖4所示，被成像物體7的折射信號α^λ1隨波長的變化規(guī)律滿足，

α^λ1＝c2×λ1²(3.6)

其中c2是與波長無關(guān)的常數(shù)。

式(3.5)、(3.6)代入式(3.4)得到，

k1-ln(i′1/i1)＝c1×λ1-k2×c2×λ1²(3.7)

步驟4、依次啟動中子源1和速度選擇器3，設(shè)置第二等效波長為λ2；啟動探測器6，設(shè)置曝光時間為t2；

利用探測器6按照曝光時間t2獲取第二背景投影圖像i2后，依次關(guān)閉中子源1和速度選擇器3；

步驟5、將被成像物體7放置到相位光柵4的視場中央，依次啟動中子源1和速度選擇器3，設(shè)置第二等效波長為λ2，并利用探測器6按照曝光時間t2獲取被成像物體7的第二投影圖像i′2后，依次關(guān)閉中子源1、速度選擇器3和探測器6；

以中子光柵干涉儀工作固定在右半腰p2/4為例。探測器6獲取的被成像物體7的第二投影圖像i′2滿足：

i′2＝i2×exp(-t^λ2)×s(p2/4+dα^λ2)(5.1)

式(5.1)中，t^λ2是被成像物體7在等效波長λ2的吸收信號；s()是中子光柵干涉儀的光強(qiáng)曲線(圖2所示)；p2是分析光柵5的周期；α^λ2是被成像物體7在等效波長λ2的折射信號。對式(5.1)取對數(shù)，得到

-ln(i′2/i2)＝t^λ2-lns(p2/4+dα^λ2)(5.2)

被成像物體7對中子的折射信號α^λ2是非常小的，滿足α^λ2＜＜(p2/4d)；對于小折射信號，能夠合理地對lns(p2/4+dα^λ2)作一階線性近似，將非線性成像方程簡化為線性方程，

式(5.3)代入式(5.2)可得到，

k1-ln(i′2/i2)＝t^λ2-k2×α^λ2(5.4)

式(5.4)中，常數(shù)k1滿足k1＝lns(p2/4)；s(p2/4)為中子光柵干涉儀的光強(qiáng)曲線在p2/4處的數(shù)值；常數(shù)k2滿足為中子光柵干涉儀的光強(qiáng)曲線的一階導(dǎo)數(shù)在p2/4處的數(shù)值。

如圖3所示，被成像物體7的吸收信號t^λ2隨波長的變化規(guī)律滿足，

t^λ2＝c1×λ2(5.5)

其中c1是與波長無關(guān)的常數(shù)。

如圖4所示，被成像物體7的折射信號α^λ2隨波長的變化規(guī)律滿足，

α^λ2＝c2×λ2²(5.6)

其中c2是與波長無關(guān)的常數(shù)。

式(5.5)、(5.6)代入式(5.4)得到，

k1-ln(i′2/i2)＝c1×λ2-k2×c2×λ2²(5.7)

步驟6、利用式(1)提取被成像物體7在等效波長λ的吸收信號t^λ：

式(1)中，常數(shù)k1滿足k1＝lns(p2/4)或k1＝lns(-p2/4)，其中，p2是分析光柵5的周期；s(p2/4)為中子光柵干涉儀的光強(qiáng)曲線在p2/4處的數(shù)值。

利用式(3.7)、(5.7)，得到，

利用式(6.1)、(3.5)，得到被成像物體7在等效波長λ的吸收信號t^λ：

圖5為被成像物體7的吸收信號的提取結(jié)果圖。以直徑5毫米的鈦圓柱作為被成像物體7，等效波長λ為4埃。如圖5所示，利用式(1)提取的吸收信號與理論值吻合的很好，證實了本發(fā)明能夠定量提取被成像物體7的吸收信號。

步驟7、利用式(2)提取被成像物體7在等效波長λ的折射信號α^λ：

式(2)中，常數(shù)k2滿足或其中，為中子光柵干涉儀的光強(qiáng)曲線的一階導(dǎo)數(shù)在p2/4處的數(shù)值。

利用式(3.7)、(5.7)，得到，

利用式(7.1)、(3.6)，得到被成像物體7的等效波長λ時的折射信號α^λ：

圖6為被成像物體7的折射信號的提取結(jié)果圖。以直徑5毫米的鈦圓柱作為被成像物體7，等效波長λ為4埃。根據(jù)圖6，利用式(2)提取的折射信號與理論值吻合的很好，證實了本發(fā)明能夠定量提取被成像物體7的折射信號。

以被成像物體7在等效波長λ的吸收信號t^λ和折射信號α^λ作為成像方法的結(jié)果。