(57)【要約】本明細書に提供されるものは、例えば、高品質で高スループットの２Ｄおよび３Ｄ高速または熱中性子および／またはＸ線画像を提供する中性子撮像システム（例えば、放射線撮影および断層撮影）および方法である。そのようなシステムおよび方法は、産業用構成要素の商業規模撮像のための使用を見出す。ある実施形態において、本明細書に提供されるものは、中心中性子源アセンブリから外向きに延びている複数の独立した中性子吸収材で裏打ちされたコリメータ（例えば、４つ以上のコリメータ）を備えているシステムである。
2021521434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンパクトな中性子撮像システムであって、前記システムは、
ａ）源中性子を生成するように構成された中心中性子源アセンブリであって、前記中心中性子源は、固体またはガス標的を備えている、中心中性子源アセンブリと、
ｂ）前記中心中性子源アセンブリを包囲している減速材アセンブリと、
ｃ）前記中心中性子源アセンブリから外向きに延びている複数の独立した中性子吸収材で裏打ちされたコリメータであって、前記独立した中性子吸収材で裏打ちされたコリメータの各々は、前記源中性子の一部を収集し、熱中性子撮像ビームラインを生成するように構成されている、独立した中性子吸収材で裏打ちされたコリメータと
を備えている、システム。
【請求項２】
前記中心中性子源は、重水素−重水素（ＤＤ）融合反応を利用して、前記源中性子を発生させる、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記中心中性子源は、重水素−三重水素（ＤＴ）融合反応を利用して、前記源中性子を発生させる、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記中心中性子源は、陽子−Ｂｅ反応を利用して、前記源中性子を発生させる、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記中心中性子源は、陽子−Ｌｉ反応を利用して、前記中性子を発生させる、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記中心中性子源アセンブリは、中性子を前記固体またはガス標的から発生させるための線形粒子加速器を備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記中心中性子源アセンブリは、前記源中性子を前記固体またはガス標的から発生させるためのサイクロトロンを備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記中心中性子アセンブリは、前記固体またはガス標的の少なくとも一部を包囲している前記減速材アセンブリを有し、前記減速材アセンブリは、前記コリメータの出口における中性子対ガンマ比を増加させるための低ガンマ生成を可能にするように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
ｄ）追加の源中性子を提供するための倍増器アセンブリをさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
ｄ）３次元断層撮影画像データセットを発生させるための多画像入手シーケンスを可能にするためのロボット運動構成要素をさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
ｄ）中性子撮像検出器をさらに備え、前記中性子撮像検出器は、検出器媒体と撮像平面とを備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
ｅ）前記撮像平面における中性子束を増加させるように構成された中性子集束および／または反射要素をさらに備えている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記中性子集束および／または反射要素は、前記撮像平面における画像分解能を増加させるように構成されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記検出器媒体は、フィルムを備えている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記検出器媒体は、シンチレーティング変換機構を備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記中性子撮像検出器は、デジタル中性子撮像検出器を備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記複数の独立した中性子吸収材で裏打ちされたコリメータは、少なくとも３つの独立した中性子吸収材で裏打ちされたコリメータを備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記複数の独立した中性子吸収材で裏打ちされたコリメータは、少なくとも９つの独立した中性子吸収材で裏打ちされたコリメータを備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記複数の独立した中性子吸収材で裏打ちされたコリメータの全ては、同一平面にあるか、または、ほぼ同一平面にある、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記複数の独立した中性子吸収材で裏打ちされたコリメータは、同一平面にない、請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
ｄ）少なくとも１つの高速中性子コリメータをさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
物体の中性子撮像の方法であって、前記方法は、
ａ）物体を中性子撮像検出器の正面に位置付けることと、
ｂ）請求項１−２１のいずれかに記載のシステムを用いて熱中性子撮像ビームを発生させることと
を含み、
前記熱中性子撮像ビームは、前記物体の少なくとも一部を通過し、それによって、中性子画像を発生させ、前記中性子画像は、前記中性子撮像検出器によって収集される、方法。
【請求項２３】
前記物体は、飛行機部品、飛行機エンジン、軍需品、エネルギー材料を利用する製品、ヒューズ、ロケット、化学的にアクティブにされるデバイス、宇宙船部品、風力タービン構成要素、または航空宇宙部品である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
ステップａ）に先立って、少なくとも１マイルまたは少なくとも１００マイル、第１の場所から第２の場所まで請求項１−２１のいずれかに記載のシステムを移動させるステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の場所は、保管施設であり、前記第２の場所は、製造または保守施設である、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記製造施設は、航空宇宙、軍需品、風力タービン、または飛行機エンジン製造施設であり、および／または、前記保守施設は、航空宇宙、軍需品、風力タービン、または飛行機保守施設である、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
コンパクトなマルチモダリティ撮像システムであって、前記システムは、
ａ）中心中性子源アセンブリと、
ｂ）複数の中性子撮像ステーションと、
ｃ）１つ以上の追加の非破壊評価ステーションと
を備えている、システム。
【請求項２８】
前記追加の非破壊評価ステーションのうちの少なくとも１つは、Ｘ線撮像を提供する、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記追加の非破壊評価ステーションのうちの少なくとも１つは、超音波検出を提供する、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３０】
前記追加の非破壊評価ステーションのうちの１つは、磁気共鳴検出を提供する、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３１】
前記追加の非破壊評価ステーションのうちの１つは、磁気浸透探傷を提供する、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３２】
前記追加の非破壊評価ステーションのうちの１つは、Ｘ線蛍光を提供する、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３３】
前記追加の非破壊評価ステーションのうちの１つは、サーモグラフィを提供する、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３４】
撮像方法であって、前記方法は、
ａ）請求項２７に記載の複数の中性子撮像ステーションを採用して、同一または別個の物体の複数の中性子画像を発生させることと、
ｂ）前記１つ以上の追加の非破壊的評価ステーションを用いて、物体の少なくとも１つの追加の画像を発生させることと
を含む、方法。
【請求項３５】
前記物体の少なくとも２つの追加の画像が、複数の非破壊評価モダリティから発生され、前記少なくとも２つの追加の画像は、組み合わせられ、融合画像データセットを発生させる、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
コンパクトな中性子撮像システムであって、前記システムは、
ａ）源中性子を生成するように構成された中心中性子源アセンブリであって、前記中心中性子源は、固体またはガス標的を備えている、中心中性子源アセンブリと、
ｂ）減速材／倍増器アセンブリと、
ｃ）前記減速材／倍増器アセンブリから外向きに延びている１つ以上の熱中性子コリメータであって、前記熱中性子コリメータの各々は、前記源中性子の一部を収集し、熱中性子撮像ビームラインを生成するように構成されている、熱中性子コリメータと、
ｄ）前記減速材／倍増器アセンブリから外向きに延びている１つ以上の高速中性子ガイドと
を備え、
前記高速中性子ガイドは、前記源中性子の一部を収集し、高速中性子撮像ビームラインを生成するように構成されている、システム。
【請求項３７】
前記中心中性子源は、重水素−重水素（ＤＤ）融合反応を利用して、前記源中性子を発生させる、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記中心中性子源は、重水素−三重水素（ＤＴ）融合反応を利用して、前記源中性子を発生させる、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３９】
前記中心中性子源は、陽子−Ｂｅ反応を利用して、前記源中性子を発生させる、請求項３６に記載のシステム。
【請求項４０】
前記中心中性子源高速中性子ガイドは、陽子−Ｌｉ反応を利用して、前記源中性子を発生させる、請求項３６に記載のシステム。
【請求項４１】
物体の中性子撮像の方法であって、前記方法は、
ａ）物体を中性子撮像検出器の正面に位置付けることと、
ｂ）請求項３６−４０のいずれかに記載のシステムを用いて、熱中性子撮像ビームを発生させ、および／または高速中性子撮像ビームを発生させることと
を含み、
前記熱中性子撮像ビームおよび／または前記高速中性子撮像ビームは、前記物体の少なくとも一部を通過し、それによって、中性子画像を発生させ、前記中性子画像は、前記中性子撮像検出器によって収集される、方法。
【請求項４２】
ｉ）撮像されるべき物体、および／または、ｉｉ）撮像媒体（例えば、フィルムまたはデジタル）を挿入および除去するように構成された自動化された物体移動システムをさらに備え、自動化された物体移動システムは、ヒトを照射エリアにさらさずに、これらのアイテムが交換されることを可能にするようにさらに構成されている、請求項１−２１、２７−３３、および３６−４０のいずれかに記載のシステム。
【請求項４３】
前記熱中性子コリメータの少なくとも一部を包囲している遮蔽アセンブリをさらに備えている、請求項１−２１、２７−３３、および３６−４１のいずれかに記載のシステム。
【請求項４４】
バンカをさらに備え、前記遮蔽アセンブリは、前記バンカの中に統合されている、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４５】
システムであって、前記システムは、
ａ）コリメータであって、前記コリメータは、熱中性子を収集するための開口部を備えている、コリメータと、
ｂ）前記コリメータの前記開口部に位置付けられた熱中性子トラップ／拡散器と
を備え、
前記熱中性子トラップ／拡散器は、前記コリメータの前記開口部に向かう熱中性子の移動を促進するための中空区分と、バルク中性子源の継続減速を確実にするための効果的減速材料から作製された中実区分とを備えている、システム。
【請求項４６】
前記バルク中性子源をさらに備えている、請求項４５に記載のシステム。
【請求項４７】
前記熱中性子トラップは、ｉ）円錐形または角錐形のコリメータと同一または同様の傾きでテーパ状にされているか、ｉｉ）直線であるか、または、ｉｉｉ）それが前記熱中性子源に向かって移動するにつれて前記熱トラップがより大きくなるように「逆に」されている、請求項４５に記載のシステム。
【請求項４８】
前記コリメータは、可変の直径または長さを有し、前記可変の直径または長さは、前記長さ対直径比（Ｌ／Ｄ）が変動させられることを可能にし、可変の画像分解能および画像捕捉時間をもたらす、請求項４５に記載のシステム。
【請求項４９】
非平面中性子検出器を備えているシステムであって、前記非平面中性子検出器は、試験試料の輪郭に形状適合し、非平行中性子ビームからのぼけ効果を最小化する、システム。
【請求項５０】
前記非平面中性子検出器は、検出器媒体を備えている、請求項４９に記載のシステム。
【請求項５１】
前記検出器媒体は、フィルムを備えている、請求項５０に記載のシステム。
【請求項５２】
前記非平面中性子検出器は、シンチレーティング変換機構を備えている、請求項４９に記載のシステム。
【請求項５３】
前記非平面中性子検出器は、デジタル検出器である、請求項４９に記載のシステム。
【請求項５４】
光ファイバケーブルをさらに備え、前記非平面中性子検出器は、一次検出器と、デジタル検出および変換システムとを備え、前記光ファイバケーブルは、光信号を前記一次検出器からデジタル検出および変換システムに伝送するように構成されている、請求項４９に記載のシステム。
【請求項５５】
コンパクトな中性子撮像システムであって、前記システムは、
ａ）中心中性子源アセンブリと、
ｂ）減速材／倍増器アセンブリと、
ｃ）前記減速材／倍増器アセンブリから外向きに延びている１つ以上の熱中性子コリメータと、
ｄ）減速材／倍増器アセンブリから外向きに延びている１つ以上の高速中性子ガイドと
を備えている、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる２０１８年４月１１日に出願された米国仮出願第６２／６５５，９２８号の優先権を主張する。
【０００２】
（分野）
本明細書に提供されるものは、例えば、高品質で高スループットの２Ｄおよび３Ｄ高速または熱中性子画像を提供する中性子撮像システム（例えば、放射線撮影および断層撮影）および方法である。そのようなシステムおよび方法は、産業用構成要素の商業規模撮像のための使用を見出す。ある実施形態において、本明細書に提供されるものは、中心中性子源アセンブリから外向きに延びている複数の独立した中性子吸収材で裏打ちされたコリメータ（例えば、４つ以上のコリメータ）を備えているシステムである。
【背景技術】
【０００３】
中性子放射線撮影および断層撮影は、航空宇宙、エネルギー、自動車、防衛、および他の分野における製造された構成要素の非破壊試験および品質制御のための証明された技法である。Ｘ線と同様、中性子が物体を通過すると、それらは、その物体の内部構造についての情報を提供する。中性子は、多くの高密度材料を容易に通過し、多くの低密度材料を含む内部材料についての詳細な情報を提供することが可能である。この性質は、ジェットエンジンタービンブレード、軍需品、航空機および宇宙船構成要素、および複合材料を含む非破壊評価を要求するいくつかの構成要素のために非常に重要である。
【０００４】
歴史的に、中性子放射線撮影は、主に、原子炉を中性子源として商業的に利用して実施されている。原子炉は、高価で、調整することが困難であり、入手することがますます困難になりつつあり、この有力な点検技法を多くの商業用途のために非実践的にものにしている。中性子は、イオンビーム加速器を用いた核反応によって生成されることもできるが、これまで、そのようなシステムは、商業用ユーザのために大きすぎ、かつ高価すぎるか（例えば、核破砕中性子源の場合、十億ドル以上）、または、低中性子出力を有し、極度に長い画像入手時間を要求する（それは、生成設定において実践的ではない））。さらに、原子炉は、熱中性子のビームのみを提供し、それらは、最大数インチ厚の構成要素を撮像するためにのみ好適である。より大きい構成要素の高速中性子撮像は、Ｒ＆Ｄ設定において実証されているが、好適な高速中性子源および検出器の欠如に起因して、大規模商業ベースで効果的に実装されていない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
いくつかの実施形態において、本明細書に提供されるものは、コンパクトな中性子撮像システムであって、ａ）源中性子を生成するように構成された中心中性子源アセンブリであって、中心中性子源は、固体またはガス標的を備えている、中心中性子源アセンブリと、ｂ）中心中性子源を包囲する減速材アセンブリと、ｃ）中心中性子源アセンブリから外向きに延びている複数の独立した中性子吸収材で裏打ちされたコリメータであって、中性子吸収材で裏打ちされたコリメータの各々は、源中性子の一部を収集し、熱中性子撮像ビームラインを生成するように構成されている、独立した中性子吸収材で裏打ちされたコリメータとを備えているシステムである。
【０００６】
特定の実施形態において、本明細書に提供されるものは、コンパクトなマルチモダリティ撮像システムであって、ａ）中心中性子源アセンブリと、ｂ）複数の中性子撮像ステーションと、ｃ）１つ以上の追加の非破壊評価ステーションとを備えているシステムである。ある実施形態において、少なくとも１つの追加の非破壊評価ステーションは、Ｘ線撮像を提供する。他の実施形態において、追加の非破壊評価ステーションのうちの少なくとも１つは、超音波検出を提供する。さらなる実施形態において、追加の非破壊評価ステーションのうちの１つは、磁気共鳴検出を提供する。ある実施形態において、追加の非破壊評価ステーションのうちの１つは、磁気浸透探傷を提供する。特定の実施形態において、追加の非破壊評価ステーションのうちの１つは、Ｘ線蛍光を提供する。他の実施形態において、追加の非破壊評価ステーションのうちの１つは、サーモグラフィを提供する。
【０００７】
いくつかの実施形態において、本明細書に提供されるものは、物体の中性子撮像の方法であって、ａ）物体を中性子撮像検出器の正面に位置付けることと、ｂ）熱中性子撮像ビームが物体の少なくとも一部を通過するように、本明細書に説明されるシステムのいずれかを用いて熱中性子撮像ビームを発生させ、それによって、中性子撮像検出器によって収集される中性子画像を発生させることとを含む方法である。ある実施形態において、物体は、飛行機部品（例えば、翼）、飛行機エンジン、軍需品、エネルギー材料を利用する製品、ヒューズ、ロケット、化学的にアクティブにされるデバイス、宇宙船部品、風力タービン構成要素（例えば、複合材部品）、または航空宇宙部品である。さらなる実施形態において、方法は、ステップａ）に先立って、本明細書に説明されるシステムのいずれかを、少なくとも１マイル、少なくとも２０マイル、または少なくとも１００マイル（例えば、少なくとも１、・・・１５、・・・３５、・・・７０、・・・１００、・・・、または１，０００マイル）、第１の場所から第２の場所まで移動させるステップをさらに含む。他の実施形態において、第１の場所は、保管施設であり、第２の場所は、製造または保守施設である。他の実施形態において、製造施設は、航空宇宙、軍需品、風力タービン、または飛行機エンジン製造施設であり、および／または、保守施設は、航空宇宙、軍需品、風力タービン、または飛行機保守施設である。
【０００８】
いくつかの実施形態において、本明細書に提供されるものは、撮像方法であって、ａ）複数の中性子撮像ステーションを採用して、同一または別個の物体の複数の中性子画像を発生させることと、ｂ）１つ以上の追加の非破壊的評価ステーションを用いて、物体の少なくとも１つの追加の画像を発生させることとを含む方法である。さらなる実施形態において、物体の少なくとも２つの追加の画像は、複数の非破壊評価モダリティから発生され、少なくとも２つの追加の画像は、組み合わせられ、融合画像データセットを発生させる。
【０００９】
さらなる実施形態において、本明細書に提供されるものは、コンパクトな中性子撮像システムであって、ａ）源中性子を生成するように構成された中心中性子源アセンブリであって、中心中性子源は、固体またはガス標的を備えている、中心中性子源アセンブリと、ｂ）減速材／倍増器アセンブリと、ｃ）減速材／倍増器アセンブリから外向きに延びている１つ以上の熱中性子コリメータであって、熱中性子コリメータの各々は、源中性子の一部を収集し、熱中性子撮像ビームラインを生成するように構成されている、熱中性子コリメータと、ｄ）源中性子の一部を収集し、高速中性子撮像ビームラインを生成するように構成されている、減速材／倍増器アセンブリから外向きに延びている１つ以上の高速中性子ガイドとを備えているシステムである。
【００１０】
ある実施形態において、中心中性子源は、重水素−重水素（ＤＤ）融合反応を利用して、源中性子を発生させる。特定の実施形態において、中心中性子源は、重水素−三重水素（ＤＴ）融合反応を利用して、源中性子を発生させる。他の実施形態において、中心中性子源は、陽子−Ｂｅ反応を利用して、源中性子を発生させる。さらなる実施形態において、中心中性子源は、陽子−Ｌｉ反応を利用して、中性子を発生させる。他の実施形態において、中心中性子源アセンブリは、中性子を固体またはガス標的から発生させるための線形粒子加速器を備えている。追加の実施形態において、中心中性子源アセンブリは、源中性子を固体またはガス標的から発生させるためのサイクロトロンを備えている。
【００１１】
さらなる実施形態において、中心中性子アセンブリは、固体またはガス標的の少なくとも一部を包囲する減速材アセンブリを備え、減速材アセンブリは、コリメータの出口における中性子対ガンマ比を増加させるための低ガンマ生成（例えば、重水、高純度黒鉛等を使用して）を可能にするように構成される。追加の実施形態において、本明細書におけるシステムは、追加の源中性子を提供するための倍増器アセンブリをさらに備えている。ある実施形態において、コリメータのいくつかまたは全ては、減速材アセンブリに向けられる。他の実施形態において、コリメータのいくつかまたは全ては、中性子生成標的に向けられる。追加の実施形態において、減速材アセンブリは、中性子反射体によってさらに増強され、コリメータのいくつかまたは全てへの入口における中性子束を増加させる。ある実施形態において、この反射体は、減速材アセンブリを完全に包囲するか、またはそれを部分的に包囲する。追加の実施形態において、本明細書におけるシステムは、３次元断層撮影画像データセットを発生させるための多画像入手シーケンスを可能にするためのロボット運動構成要素をさらに備えている。
【００１２】
いくつかの実施形態において、本明細書におけるシステムは、ｄ）中性子撮像検出器をさらに備え、中性子撮像検出器は、検出器媒体と撮像平面とを備えている。ある実施形態において、本明細書におけるシステムは、ｅ）撮像平面における中性子束を増加させるように構成された中性子集束および／または反射要素をさらに備えている。他の実施形態において、中性子集束および／または反射要素は、撮像平面における画像分解能を増加させるように構成される。ある実施形態において、検出器媒体は、フィルム、シンチレーティング変換機構、またはデジタル中性子撮像検出器を備えている。
【００１３】
ある実施形態において、複数の独立した中性子吸収材で裏打ちされたコリメータは、少なくとも３つの独立した中性子吸収材で裏打ちされたコリメータ（例えば、３つ、４つ、５つ、６つ、または７つ）を備えている。さらなる実施形態において、複数の独立した中性子吸収材で裏打ちされたコリメータは、少なくとも８つの独立した中性子吸収材で裏打ちされたコリメータ（例えば、８つ、・・・１２個、・・・２０個、・・・、またはそれを上回る）を備えている。さらなる実施形態において、複数の独立した中性子吸収材で裏打ちされたコリメータの全ては、同一平面、または、ほぼ同一平面にある。追加の実施形態において、複数の独立した中性子吸収材で裏打ちされたコリメータは、同一平面にない。ある実施形態において、本明細書におけるシステムは、少なくとも１つの高速中性子コリメータ（例えば、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、・・・１０個、・・・１５個、・・・、２０個またはそれを上回る）をさらに備えている。ある実施形態において、中性子吸収材料は、カドミウム、ホウ素およびホウ素含有化合物、リチウムおよびリチウム含有化合物、ガドリニウム、前述の列挙される材料のいずれかを含む複合材（例えば、エポキシマトリクス中の炭化ホウ素粉末等）から成る群から選択される。
【００１４】
いくつかの実施形態において、本明細書に提供されるものは、物体の中性子撮像の方法であって、ａ）物体を中性子撮像検出器の正面に位置付けることと、ｂ）熱中性子撮像ビームおよび／または高速中性子撮像ビームが物体の少なくとも一部を通過するように、本明細書のシステムのいずれかを用いて、熱中性子撮像ビームを発生させ、および／または高速中性子撮像ビームを発生させ、それによって、中性子撮像検出器によって収集される中性子画像を発生させることとを含む方法である。
【００１５】
他の実施形態において、本明細書におけるシステムは、ｉ）撮像されるべき物体および／または、ｉｉ）撮像媒体（例えば、フィルムまたはデジタル）を挿入および除去するように構成された自動化された物体移動システムをさらに備え、自動化された物体移動システムは、ヒトを照射エリアにさらさずに、これらのアイテムが交換されることを可能にするようにさらに構成される。
【００１６】
特定の実施形態において、本明細書におけるシステムのいずれかは、熱中性子コリメータの少なくとも一部を包囲している遮蔽アセンブリをさら備えている。他の実施形態において、本明細書におけるシステムのいずれかは、バンカをさらに備えている（例えば、遮蔽アセンブリは、バンカの中に統合される）。
【００１７】
いくつかの実施形態において、本明細書に提供されるものは、システムであって、ａ）コリメータであって、コリメータは、熱中性子を収集するための開口部を備えている、コリメータと、ｂ）コリメータの開口部に位置付けられる熱中性子トラップ／拡散器であって、熱中性子トラップ／拡散器は、コリメータの開口部に向かう熱中性子の移動を促進するための中空区分と、バルク中性子源の継続減速を確実にするための効果的減速材料から作製される中実区分とを備えている熱中性子トラップ／拡散器とを備えているシステムである。この熱中性子トラップは、円錐形または角錐形コリメータと同一または類似傾きでテーパ状にされるか、直線である（円筒形または長方形におけるように）か、またはそれが熱中性子源に向かって移動するにつれて熱トラップがより大きくなるように「逆に」され得る。いくつかの実施形態において、コリメータは、長さ／直径比（Ｌ／Ｄ）が変動させられることを可能にし、可変の画像分解能および画像捕捉時間をもたらす可変の直径または長さを有する。特定の実施形態において、本明細書におけるシステムは、バルク中性子源をさらに備えている。
【００１８】
追加の実施形態において、本明細書に提供されるものは、システムであって、試験試料の輪郭に形状適合し、非平行中性子ビームからのぼけ効果を最小化する非平面中性子検出器を備えているシステムである。いくつかの実施形態において、非平面中性子検出器は、検出器媒体を備えている。追加の実施形態において、検出器媒体は、フィルム、シンチレーティング変換機構、またはデジタル検出器を備えている。
【００１９】
ある実施形態において、本明細書におけるシステムは、光ファイバケーブルをさらに備え、非平面中性子検出器は、一次検出器と、デジタル検出および変換システムとを備え、光ファイバケーブルは、光信号を一次検出器からデジタル検出および変換システムに伝送するように構成される。他の実施形態において、サファイア等の偏光子が、中性子のより水平なビームを取得するために使用される。この偏光子は、ビーム経路の内外に容易に位置付けられ、画像パラメータを調節することができる。
【００２０】
ある実施形態において、本明細書に提供されるものは、コンパクトな中性子撮像システムであって、ａ）中心中性子源アセンブリと、ｂ）減速材／倍増器アセンブリと、ｃ）減速材／倍増器アセンブリから外向きに延びている１つ以上の熱中性子コリメータと、ｄ）減速材／倍増器アセンブリから外向きに延びている１つ以上の高速中性子ガイドとを備えているシステムである。
【００２１】
本明細書に提供されるものは、ある実施形態において、高品質で高スループットの高速または熱中性子画像を提供する中性子放射線撮影および断層撮影システムおよび方法である。そのようなシステムは、実行可能な商業規模の熱および高速中性子放射線撮影を提供する。個々に、および集合的に、高スループットおよび高分解能中性子撮像能力に寄与する複数の性能向上技術が、本明細書に説明される。別様に明示的に述べられない限り、または論理に反しない限り、本明細書に説明される技術の各々が、望ましい性能特徴および特性を伴う撮像能力を提供するために、互いに組み合わせて使用され得ることを理解されたい。
【００２２】
加えて、いくつかの事例において、説明される中性子撮像技術は、独立型中性子またはＸ線画像が独自に有するであろうものより多くの情報を提供する融合画像データセットを作成するために、Ｘ線放射線撮影および断層撮影を含む他の非破壊評価技法とも組み合わせられ得る。中性子画像と融合され得る構成要素についての２Ｄおよび３Ｄ情報を提供する他の非破壊評価技法は、とりわけ、超音波、磁気共鳴、磁気浸透探傷、サーモグラフィ、Ｘ線蛍光、および小角度中性子散乱を含む。そのような場合、画像位置合わせソフトウェアが、２つ以上の非破壊評価技法からのデータを関係づけ、融合画像データセットを作成するために使用され得る。
【００２３】
個々に、または集合的に、これらの技術は、例えば、高エネルギー中性子の任意の非反応器源に適用され得る。技術の実施形態は、米国特許公開第２０１１／００９６８８７号、第２０１２／０３００８９０号、および第２０１６／０１６３４９５号、および米国特許第８，８３７，６６２号および第９，０２４，２６１号（その全ては、参照することによってそれらの全体として本明細書に組み込まれる）に説明されるもの等の高エネルギーイオンビーム発生器システムとともに採用され得る。他の場合、より高いエネルギーイオン加速器ベースの中性子源が、技術の実施形態を例証するために使用されるであろう。しかしながら、これらの技術が、高エネルギー電子およびイオン加速器（例えば、重陽子または三重陽子加速器）を含む広範囲の高エネルギー中性子発生技術に適用され得ることを理解されたい。
【００２４】
ある実施形態において、高速中性子源は、高速中性子が所望の方向にのみ自由に流れることが可能であるようにしながら、他の方向に撮像するために使用され得る熱中性子集団も維持するように、倍増および減速材料と熱および高速中性子コリメータとによって部分的に包囲される。他の実施形態において、高速中性子源は、倍増および減速材料によって部分的に包囲され、複数のコリメータポートに同時に給送し、撮像スループットを増加させる熱中性子源を提供する。他の実施形態において、マルチモダリティ撮像能力が、高速および／または熱中性子撮像システムと統合される。
【００２５】
ある実施形態において、種々の中性子コリメータビームポートが、中心中性子源の近傍から外向きに延びている連続または略連続リング内にあるように位置付けられる。これは、非常に大型のアイテムがより高速かつより少ない総暴露量で撮像され得るように、連続または略連続である部分的に、円周方向撮像平面を提供するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】図１Ａは、中心中性子源（例えば、中心高速中性子源）と、減速材アセンブリと、複数の半径方向熱中性子ビームポートとを伴うビーム発生システムの例示的概略を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、単一粒子加速器からの複数のイオンビームラインを伴う例示的概略を示し、各イオンビームラインは、１つ以上の高速または熱中性子ビームポートに結合される。
【図２】図２は、複数の半径方向熱中性子ビームコリメータと、１つの前方に向けられた高速中性子ビームポートとを伴う例示的ビーム発生システムを示す。
【図３】図３Ａ−図３Ｂは、複数の半径方向熱中性子ビームコリメータがバンカ設備遮蔽体の中に統合されている撮像システムの例示的概略を示す。
【図４】図４は、熱中性子拡散器システムの例示的概略を示す。
【図５】図５は、マルチモダリティ融合撮像のためのＸ線撮像システムと組み合わせられた、例示的中性子撮像システムを示す。
【図６】図６は、ミラーおよびガイド等の中性子反射および中性子集束要素を組み込む例示的高スループット中性子撮像システムを示す。
【図７】図７は、複数の構成要素に関する３Ｄ断層撮影データセットを同時に発生させるために多視点画像の並行入手のための複数の回転台を伴う例示的マルチポート熱および高速中性子撮像システムを示す。
【図８】図８は、同一マニピュレータおよび回転段を利用する２つの技法を組み合わせる、例示的二重Ｘ線および高速中性子ＣＴ撮像システムを示す。
【図９】図９は、非平行中性子ビームからのぼけ効果が最小化されるように、試験試料と検出器との間の中性子進行距離を最小化する例示的非平面デジタル検出器アレイを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
中性子放射線撮影および断層撮影は、航空宇宙、エネルギー、自動車、防衛、および他の分野における製造された構成要素の非破壊試験のための証明された技法である。それは、適切なスペクトル特性を伴う入手可能な高束中性子源を欠くことにより、現在、十分に活用されていない。Ｘ線と同様、中性子が物体を通過すると、それらは、その物体の内部構造についての情報を提供する。Ｘ線は、低原子番号元素（例えば、水素）とは弱く、高原子番号元素（例えば、多くの金属）とは強く相互作用する。その結果、低密度材料についての情報を提供するそれらの能力は、特に、より高い密度の材料の存在下にあるとき、弱まる。中性子は、この限界に悩ませられない。それらは、高密度金属を容易に通過し、低密度材料を含む内部材料についての詳細な情報を提供することが可能である。この性質は、エンジンタービンブレード、軍需品、宇宙船構成要素、および、ある航空宇宙構成要素および風力タービンブレード等の複合材料を含む非破壊評価を要求するいくつかの構成要素のために非常に重要である。これらの用途の全てに関して、中性子撮像は、Ｘ線および他の非破壊評価モダリティが提供可能でない決定的な情報を提供する。
【００２８】
米国特許公開第２０１１／００９６８８７号、第２０１２／０３００８９０号、および第２０１６／０１６３４９５号、および米国特許第８，８３７，６６２号および第９，０２４，２６１号は、多種多様な加速器ベースの中性子源を提供し、それらは、中性子減速材、コリメータ、ガイド、ミラー、レンズ、および、中性子検出媒体に結合され、本明細書に説明されるシステムおよび方法のための中性子源として使用され得る中性子放射線撮影システムを提供し得る。減速材（および随意の倍増器）区分が、含まれ、中性子ガイドが、熱中性子吸収材料で裏打ちされると、システムは、熱中性子撮像（例えば、放射線撮影）のために使用されることができる。安価な加速器ベースの中性子源は、典型的な中性子放射線撮影設備、例えば、原子炉より数桁低い源中性子を提供する。したがって、中性子検出媒体は、中性子源に近接近しているべきである。逆に言えば、原子炉または大型破砕源において、検出媒体が、中性子源から数メートル離れていて、その中に、望ましくないタイプの放射線（主に、それは、入手中、画像を部分的にぼけさせるであろう迷ガンマ線および高速中性子）を軽減するためのフィルタを設置するための空間を可能にし得ることが、典型的である。
【００２９】
商業用放射線撮影用途の需要を経済的に満たすための（例えば、米国特許公開第２０１１／００９６８８７号、第２０１２／０３００８９０号、および第２０１６／０１６３４９５号、および、米国特許第８，８３７，６６２号および第９，０２４，２６１号に示されるような）コンパクトな加速器システムに関して、新しい概念および方略が、採用される必要がある。本明細書に提供されるものは、同時に使用され得る複数の高速および熱撮像ポートに結合される減速材アセンブリ（および随意に、倍増器）を提供するコンパクトな中性子撮像（例えば、放射線撮影）システムである。例示的構成が、図１に示される。この構成は、所与の中性子源に関して、最大約１０倍のスループット能力の増加を提供する。代替構成が、中性子吸収からのガンマ生成の量を低減させる。この構成は、重水を一次減速材として利用し、撮像平面におけるはるかに高い中性子対ガンマ比を可能にする。さらに、高速中性子の前方ピーク源が、利用されるとき、このマルチビーム減速材アセンブリの修正バージョンは、１つ以上の熱中性子コリメータに加え、１つ以上の前方視高速中性子ポートを提供する。例示的構成が、図２に示される。熱撮像ビームラインを伴うこれらの構成の各々において、システムは、最小限の熱中性子捕捉断面を伴う減速材を利用して、捕捉された中性子（例えば、２．２ＭｅＶ水素捕捉ガンマ）から結果として生じる最大熱中性子束および最小限のガンマ束を維持する。これは、そのようなシステムによって達成される画像品質を劇的に改良する。
【００３０】
動作中、一般に、中性子コリメータの外側に、０〜１００ＭｅＶのエネルギーのスペクトルから成る大中性子集団が、存在する。熱中性子撮像に関して、撮像プロセスにおいて使用されるものは、より低いエネルギーの中性子であり、したがって、（例えば、可能な限り多くの）中性子のエネルギーを減少させることが望ましい。しかしながら、これらのより低いエネルギーの中性子は、カドミウムの場合のように、包囲材料によって吸収されると、後続ガンマ線を生成する可能性がより高い。低エネルギー中性子は、それらが中性子コリメータの内側または外側にあるかどうかにかかわらず、これらのガンマ生成事象を生じさせる。画像入手のために有用であるものは、コリメータの内側の中性子のみであるので、コリメータガイドの外側の中性子も、同様に吸収されるべきである。本明細書に提供されるものは、これらの迷中性子およびガンマからの画像汚染を最小化するための費用効率的方略を提供する実施形態である。ある実施形態において、それは、１つ以上のコリメータアセンブリの中への設備遮蔽体の直接組み込みを伴い、コストおよび占有エリアを低減させながら、全体的システムの有効性を最大化する。例示的構成が、図３に示される。
【００３１】
さらに、熱中性子撮像ラインを伴うこれらの構成のいずれかにおいて、空気または他のガスから成る、拡散領域が、熱中性子がコリメータの開口に入射するための比較的に同一の光学経路長を可能にしながら、高速中性子が入射する前に横断しなければならない距離を増加させるために採用されることができる。いくつかの実施形態において、空気拡散領域は、４〜８ｃｍの長さ（例えば、４．０、・・・５．０、・・・６．０、・・・７．０、・・・、または８．０ｃｍ）および１．５〜４．０ｃｍ（例えば、１．５、・・・２．５、・・・３．５、・・・４．０ｃｍ）の直径である。高速中性子のための本より長い経路長は、それらが減速媒体中で散乱し、したがって、低エネルギーに減速されるためのより多くの機会を可能にする。拡散領域は、例えば、水、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、および黒鉛等の材料から成り得る。続いて画像品質を低下させるであろうより少ない捕捉ガンマを生成する材料が、概して、好ましい。例示的構成が、図４に示される。
【００３２】
いくつかの実施形態において、１つ以上の追加の非破壊撮像モダリティが、中性子撮像システム（例えば、Ｘ線放射線撮影または断層撮影等）の中に統合される。そのような事例において、試験物体の３Ｄ空間座標が、異なるモダリティを用いた複数の画像入手の過程中、把握および制御される。マルチモダリティ画像入手プロセスに続いて、画像位置合わせソフトウェアが、利用され、異なる撮像モダリティからの画像を融合し、融合画像を作成する。いくつかの事例において、基準マーカが、構成要素上に設置され、複数の点検モダリティにわたる高速画像位置合わせを可能にし得る。例示的構成が、図５に示される。
【００３３】
いくつかの実施形態において、１つ以上の中性子集束または反射要素（例えば、レンズ、ミラー、ガイド管）が、組み込まれ、撮像平面における中性子ビームの束および／または分解能を増加させ得る。例示的構成が、図６に示される。ある実施形態において、他の構成要素が、中性子を冷却するために採用され、そのような冷却材料は、中性子が通されるようなものである（例えば、液体水素イオン、ヘリウムイオン、または窒素イオン）。
【００３４】
いくつかの実施形態において、放射源、検出器、および／または試験試料は、複数の角度からの多画像入手シーケンス中またはその合間、運動し、３Ｄ断層撮影画像データセットを発生させ得る。高精度ロボット制御が、そのような運動のために利用され得る。画像データセットは、２枚から数千枚の異なる平面２Ｄ画像を利用する複数の撮像モダリティを用いて取得され得、それらは、各撮像モダリティのための３Ｄデータセットを発生させるために組み合わせる。例示的構成が、図７に示される。
【００３５】
説明される実施形態の全てにおいて、１つ以上の検出器媒体が、高速または熱中性子を検出し、２Ｄまたは３Ｄ画像データセットを発生させるために使用され得る。そのような検出器媒体は、とりわけ、放射線撮影フィルム、記憶蛍光体、シンチレータ、直接変換スクリーン、非晶質シリコンフラットパネル、マイクロチャネルプレート、デジタル検出器アレイ、および間接変換スクリーンを含み得る。いくつかの実施形態において、検出器は、非平行中性子ビームのぼけ効果が、最小化されるように、試験試料と検出器との間の中性子の進行距離が、最小化されるように、非平面幾何学形状に構成され得る。そのような事例において、非平面検出器は、光ファイバガイドおよび光倍増管等の光伝送、変換、倍増、および／または検出器要素に結合されるシンチレーティング材料等のフィルムまたはデジタル媒体から成り得る。例示的構成が、図９に示される。
【００３６】
いくつかの実施形態において、上記に説明されるシステムおよび方法は、撮像されるべき構成要素の製造場所において利用可能にされる。これは、製造された構成要素が、反応器の現場に出荷され、多くの場合、多大なコストをかけ、不便である、今日の撮像アプローチから脱却するものである。いくつかの実施形態において、本明細書に説明されるような加速器ベースの中性子システムが、製造施設に格納される。いくつかのそのような実施形態において、撮像データは、製造システムの設計および品質制御および品質保証システムの中に統合される。いくつかの実施形態において、本明細書に説明されるような加速器ベースの中性子システムの１つ以上の構成要素は、可動性であり（例えば、作業車内に提供される）、必要に応じて、製造場所において利用可能にされる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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