201406-中子全息孪生像消除技术研究-曹超-final的认识.doc

中子全息孪生像消除技术研究 曹超，孙勇，李航，刘斌，霍合勇，唐彬 (中国工程物理研究院 核物理与化学研究所，四川 绵阳 621900) 摘要：在中子全息照相的记录过程中，参考波与物波近似沿同一方向传播至全息屏，并在重建时形成不可分离的原像和共轭像，在特定波长下，两者可能干涉相消，形成孪生像现。受制于中子探测效率和单色器能量分辨精度，目前中子全息成像中孪生像的消除技术尚未得到系统的理论和实验研究本文采用数值方法对已成功应用于X射线全息孪生像消除的两种全息记录及重建技术展开模拟，讨论基于研究堆的中子全息成像技术实现孪生像消除的可行性，并从实验效率和重建质量出发，对单色器分辨率、波数记录间隔、波数记录范围等关键参数进行定量分析和优化选取结果表明在研究堆中子源相对较低的单色精度和较窄的可选能区条件下，通过记录个不同能点的全息图即可获取较理想的中子全息重建结果。 关键词：中子全息术；孪生像；多重能量全息；双能量全息 由于中子对氢元素及10B、48Cd、64Gd等特定核素较为灵敏，中子全息术可用于能源、生物、地质等领域的材料研究。在加拿大NRU研究堆、法国ILL研究堆、日本JRR-3研究堆上多次实验[]，在装置设计实验方法以及重建技术上取得了长足的进步受于源强、束流调制及探测效率需借鉴X射线等全息技术的成熟经验，并自身的特点加以改进，孪生像的消除。 要使全息成像分辨率到原子量级，其首要制约因素源（或探测器）的尺寸相比被测原子不能过大，需要利用样品内的某些殊原子实现源（探测器）的功能，因此参考波与物波近似沿同一方向传播并被全息屏记录，在重建时形成不可分离且相互干扰的原像和共轭像，称为孪生像现象。孪生像现象存在于电子、X射线和中子等微观全息术中在上世纪90年代初，Barton[]、Saldin和de Andre[]分别提出利用多重能量测量并重建以消除孪生像的方法[7]，和2001年Hayashi等在日本同步辐射光源SPring-8开展的GaAs（掺杂Zn）晶体X射线多重能量全息实验[8]，均显示孪生像得到了明显消除。2002年Nishino[]提出通过改进重建算法，可以用双能量实现孪生像的消除。中子探测效率较低，。 本文采用数值方法比较分析单色器的能量分辨率对多重能量全息术和双能量全息术重建质量的影响，讨论基于研究堆的中子全息成像技术实现孪生像消除的可行性，并从实验效率和重建质量出发，对相关参数进行优化，为进一步在反应堆上开展中子全息成像工作奠定基础。 1 孪生像现象及消除方法 中子全息屏记录从源直接到达探测器的参考波R和经散射核散射后到达探测器的物波O，强度分布 （1） 第一项为背景项，第二项为全息项第三项为二阶小量对于内源全息术，正比于 （2） 其中k为波数k=2π/λ，λ为入射中子波长沿样品指向探测器为散射核相对源核坐标为散射长度。 Helmholtz-Kirchhoff积分实际上是两个共轭项之和，因此重建像也包含相应的原像及共轭像[]， （） 为的二维球面处散射核j的共轭像出现在关于原点对称的坐标处，且与原像存在一定的相位差若处存在散射核l，则散射核j的原像（共轭像）与散射核l的共轭像（原像）在±发生干涉叠加 （） 其振幅随不同发生变化当对称散射核相同时，原像与共轭像相互抵消()。由于原像与共轭像在全息的记录和重建过程中同时出现，无法分离，因此合称为孪生像。 多重能量全息术入射中子波数k，按一定相位进行叠加 （） 若能在0∞区间连续变换k，则，因此多重能量全息术可在一定程度上消除单能量全息术中二维Helmholtz-Kirchhoff积分重建引入的振荡项，以及由此导致的重建坐标偏移，不仅消除孪生像，更提高了重建质量，但对能量点的数量、选取范围及间隔均有一定要求。 双能量全息术分别在两个非常接近的波数k1和k2下进行全息记录，其重建公式 （） 则在处重建的原像强度正比于sin((k1-k2)·rj)，而共轭像强度趋近于零。与多重能量全息术相比，双能量全息术只考虑了孪生像的消除，本质上仍是二维积分重建，其中的叠加相位因子不具有物理意义，可能会引入更多的振荡项并造成重建质量的下降。 2 孪生像消除技术模拟及参数分析 模拟对采用Pd-H晶格为简化数据分析，相邻原子间距粗略取0.2 nm。考虑源核外四层Pd原子和H原子的全息记录和重建，0.08 nm波