АППАРАТЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ НЕЙТРОНОВ, УСТРОЙСТВА НЕЙТРОНОГРАФИИ И СПОСОБЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ
NEUTRON GENERATION DEVICES, NEUTRON DIFFRACTION ANALYSIS DEVICES AND VISUALIZATION METHODS

Область изобретения
[0001] Настоящее изобретение относится к источнику нейтронов, в частности, к устройствам для генерирования нейтронов с различной энергией и к способам визуализации с помощью сгенерированных нейтронов с различной энергией.
Предпосылки изобретения
[0002] Технология нейтронографии является важной технологией недеструктивного обнаружения, которая может играть огромную роль в исследовании пустотелой лопатки турбины авиационного двигателя, обнаружении распределения влаги в топливном элементе и других прикладных задачах. Для того чтобы успешно выполнять нейтронографию, требуется сильноточный источник нейтронов с повышенным выходом нейтронов.
[0003] В настоящее время сильноточными источниками нейтронов являются реакторы или источники вторичных нейтронов. Они имеют очень высокие выходы нейтронов и плотности потока нейтронов. Однако такие виды источников нейтронов имеют очень высокую стоимость конструкции (~ 1 миллиард китайских юаней), таким образом, не могут быть построены в общенаучных исследовательских и промышленных институтах, и имеют высокие эксплуатационные расходы и дорогостоящее время работы на пучке, что затрудняет удовлетворение запросов общенаучных исследовательских или промышленных институтов или других институтов, у которых имеются требования по конфиденциальности анализируемых образцов.
[0004] Кроме того, необходима более детальная информация в нейтронографическом анализе объектов, таких как полые лопатки турбины авиационного двигателя.
Сущность изобретения
[0005] В свете одной или более проблем уровня техники обеспечены устройства для генерирования нейтронов с непрерывным энергетическим спектром, устройства визуализации и способы визуализации для них.
[0006] Согласно аспекту настоящего изобретения обеспечено устройство нейтронографии. Устройство включает в себя аппарат генерирования нейтронов, выполненный с возможностью генерировать пучок нейтронов непрерывного энергетического спектра; детектор нейтронов, выполненный с возможностью принимать пучок нейтронов, который пронизывает изучаемый объект, для получения электрического сигнала; схему сбора данных, соединенную с детектором нейтронов и выполненную с возможностью преобразовывать электрический сигнал в цифровой сигнал; и аппарат обработки данных, соединенный со схемой получения данных и выполненный с возможностью получать изображения изучаемого объекта под действием нейтронов различных энергетических спектров на основе цифрового сигнала.
[0007] Согласно некоторым вариантам осуществления аппарат генерирования нейтронов включает в себя линейный ускоритель высокоэнергетических электронов, выполненный с возможностью генерировать рентгеновское излучение; мишень нейтронного преобразования, которая бомбардируется рентгеновским излучением, для генерации пучка нейтронов; фильтр, размещенный ниже по потоку от мишени нейтронного преобразования и выполненный с возможностью фильтровать рентгеновское излучение, содержащееся в пучке нейтронов, и генерировать пучок нейтронов непрерывного энергетического спектра; и коллиматор, размещенный ниже по потоку от фильтра и выполненный с возможностью упорядочивать отфильтрованный пучок нейтронов так, чтобы генерировать пучок нейтронов непрерывного энергетического спектра, который испускается в одном направлении.
[0008] Согласно некоторым вариантам осуществления аппарат генерирования нейтронов дополнительно включает в себя сглаживающий отражатель, выполненный окружающим по меньшей мере частично, мишень нейтронного преобразования, так что нейтроны, сгенерированные мишенью нейтронного преобразования, испускаются в одном направлении.
[0009] Согласно некоторым вариантам осуществления аппарат обработки данных дополнительно выполнен с возможностью получать изображения изучаемого объекта под воздействием нейтронов различных энергетических спектров на основе времяпролетного метода, при этом время, в которое посредством линейного ускорителя высокоэнергетических электронов генерируется импульс рентгеновского излучения, используется в качестве опорного.
[0010] Согласно некоторым вариантам осуществления детектор нейтронов включает в себя чувствительный к нейтронам микроканальный анодный детектор.
[0011] Согласно некоторым вариантам осуществления фильтр включает в себя материал, имеющий меньшее эффективное сечение для нейтронов и большее эффективное сечение для фотонов.
[0012] Согласно некоторым вариантам осуществления фильтр, в частности, включает в себя бериллий или свинец.
[0013] Согласно некоторым вариантам осуществления мишень нейтронного преобразования включает в себя тяжелую воду.
[0014] Согласно некоторым вариантам осуществления время пролета нейтронов различных энергетических спектров вычисляется согласно формуле ниже:
n
n
[0015] где L обозначает расстояние пролета, E обозначает энергетический уровень нейтрона, а m обозначает массу покоя нейтрона.
[0016] Согласно некоторым вариантам осуществления нейтронный коллиматор вакуумируется.
[0017] Согласно другому аспекту настоящего изобретения предоставляется способ визуализации. Способ включает в себя этапы: генерирования пучка нейтронов непрерывного энергетического спектра посредством описанного выше устройства; приема, посредством детектора нейтронов, пучка нейтронов, который пронизывает изучаемый объект, для получения электрического сигнала; преобразования электрического сигнала в цифровой сигнал; и получения изображений изучаемого объекта под действием нейтронов различных энергетических спектров на основе цифрового сигнала.
[0018] Согласно еще одному аспекту настоящего раскрытия предоставляется аппарат генерирования нейтронов. Аппарат генерирования нейтронов включает в себя линейный ускоритель высокоэнергетических электронов, выполненный с возможностью генерировать рентгеновское излучение; мишень нейтронного преобразования, которая бомбардируется рентгеновским излучением, для генерации пучка нейтронов; фильтр, размещенный ниже по потоку от мишени нейтронного преобразования и выполненный с возможностью фильтровать рентгеновское излучение, содержащееся в пучке нейтронов, и генерировать пучок нейтронов непрерывного энергетического спектра; и коллиматор, размещенный ниже по потоку от фильтра и выполненный с возможностью упорядочивать отфильтрованный пучок нейтронов, чтобы генерировать пучок нейтронов непрерывного энергетического спектра, который испускается в одном направлении.
[0019] Согласно некоторым вариантам осуществления аппарат генерирования нейтронов дополнительно включает в себя сглаживающий отражатель, выполненный окружающим по меньшей мере частично, мишень нейтронного преобразования, так что нейтроны, генерируемые мишенью нейтронного преобразования, испускаются в одном направлении.
[0020] Согласно некоторым вариантам осуществления фильтр содержит материал, имеющий меньшее эффективное сечение для нейтронов и большее эффективное сечение для фотонов.
[0021] Вышеописанные технические решения могут быть использованы, чтобы генерировать пучок нейтронов непрерывного энергетического спектра, так что могут быть получены изображения изучаемого объекта под воздействием нейтронов различных энергетических спектров посредством времяпролетного метода, при этом улучшая чувствительность обнаружения.
Краткое описание чертежей
[0022] Для того, чтобы лучше понимать настоящее изобретение, варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны согласно сопровождающим чертежам, на которых
[0023] Фиг. 1 показывает схематичный структурный чертеж устройства нейтронографии согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
[0024] Фиг. 2 показывает схематичный структурный чертеж и процесс работы детектора нейтронов в аппарате генерирования нейтронов согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
[0025] Фиг. 3 показывает схематичный чертеж, изображающий времена прибытия нейтронов с различными энергетическими уровнями согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
[0026] Фиг. 4 показывает схематичную блок-схему аппарата обработки данных согласно варианту осуществления настоящего изобретения; и
[0027] Фиг. 5 показывает график, изображающий макроскопические эффективные сечения поглощения нейтронов полой лопатки турбины и сердечника.
[0028] Не все из схем и структур вариантов осуществления показаны на чертежах. Повсюду на чертежах одинаковые ссылочные номера ссылаются на одинаковые или аналогичные компоненты или отличительные признаки.
Подробное описание изобретения
[0029] Далее в данном документе конкретные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны подробно, и должно быть отмечено, что варианты осуществления, описанные в данном документе, существуют только в иллюстративных целях, и не предназначены, чтобы ограничивать настоящее изобретение. В последующем описании многочисленные конкретные детали излагаются для того, чтобы обеспечивать полное понимание настоящего изобретения. Однако, специалисту в области техники будет очевидно, что настоящее изобретение не должно применяться на практике с этими конкретными деталями. В других случаях хорошо известные схемы, материалы или способы конкретно не описываются, чтобы избегать того, чтобы сделать неясным настоящее изобретение.
[0030] На всем протяжении описания ссылка на "некоторый вариант осуществления", "вариант осуществления", "некоторый пример" или "пример" означают, что конкретный признак, структура или характеристика, описываемая в соединении с вариантом осуществления или примером, включается в по меньшей мере один вариант осуществления настоящего изобретения. Следовательно, фраза "в одном варианте осуществления, "в варианте осуществления", "какой-либо пример" или "пример" на всем протяжении описания необязательно ссылается на один и тот же вариант осуществления или пример. Кроме того, конкретные признаки, структуры или характеристики могут быть упорядочены в одном или более вариантах осуществления или примерах в любой подходящей комбинации и/или подкомбинации. Кроме того, специалисту в области техники будет понятно, что чертежи, предоставленные в данном документе, присутствуют с целью иллюстрации, и что чертежи необязательно начерчены по масштабу. Термин "и/или", используемый в данном документе, включает в себя любую и все комбинации одного или боле перечисленных элементов.
[0031] Что касается проблем в уровне техники, варианты осуществления настоящего изобретения предоставляют аппарат для генерирования нейтронов непрерывного энергетического спектра, при этом линейный ускоритель высокоэнергетических электронов генерирует рентгеновское излучение, которое бомбардирует мишень нейтронного преобразования, для генерации пучка нейтронов. Затем фильтр размещается так, чтобы фильтровать рентгеновское излучение, смешанное в пучке нейтронов, так чтобы получать пучок нейтронов непрерывного энергетического спектра. И отфильтрованные нейтронные пучки упорядочивают так, чтобы получать пучок нейтронов непрерывного энергетического спектра, который испускается в одном направлении. Согласно другим вариантам осуществления времени, в которое посредством линейного ускорителя высокоэнергетических электронов генерируется импульсное рентгеновское излучение, используется в качестве опорного, могут быть получены изображения изучаемого объекта под воздействием нейтронов различных энергетических спектров на основе времяпролетного метода так, чтобы улучшать чувствительность обнаружения изучаемого объекта. Например, пучок нейтронов, проникающий в изучаемый объект, такой как лопатка турбины, принимается детектором нейтронов так, чтобы получать электрический сигнал. Схема сбора данных преобразует электрический сигнал в цифровой сигнал, так что устройство обработки данных, такое как компьютер, получает изображения изучаемого объекта под воздействием нейтронов различных энергетических спектров на основе цифрового сигнала.
[0032] Фиг. 1 показывает схематичный структурный чертеж устройства визуализации согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 1, устройство согласно варианту осуществления настоящего изобретения включает в себя линейный ускоритель 110 высокоэнергетических электронов, мишень 130 нейтронного преобразования, сглаживающий отражатель 120, фильтр 140, нейтронный коллиматор 150, детектор 170 нейтронов, схему 180 сбора данных и аппарат 190 обработки данных. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего раскрытия изучаемый объект 160, такой как лопатка аэродинамической турбины, обнаруживается посредством результирующих нейтронов непрерывного энергетического спектра, чтобы получать изображения под воздействием нейтронов различных энергетических уровней, улучшая чувствительность обнаружения.
2
[0033] Как показано на фиг. 1, рентгеновские лучи генерируются с помощью линейного ускорителя 110 высокоэнергетических электронов (например, 10 МэВ электронов), и рентгеновские лучи выполняют (γ, n) реакцию с мишенью 130 нейтронного преобразования (например, тяжелой водой DO) для генерации нейтронов. После замедления и отражения посредством сглаживающего отражателя 120 нейтроны испускаются в правую сторону, как показано на фиг. 1. Поскольку нейтроны и рентгеновские лучи генерируются почти одновременно, и рентгеновские лучи являются источником интерференции для детектора системы, рентгеновские лучи могут быть отфильтрованы. Фильтр (также называемый фильтрующим телом) 140 может быть выполнен из материала, имеющего меньшее эффективное сечение для нейтронов и большее эффективное сечение для фотонов, и Bi и Pb являются более предпочтительными материалами. После того как выполняется фильтрация фотонов, нейтроны поступают в нейтронный коллиматор 150, и нейтронный коллиматор 150 отбирает нейтроны в конкретном направлении для испускания к детектору, в то время как нейтроны в других направлениях экранируются. В некоторых вариантах осуществления, поскольку расстояние пролета L, как правило, является более длинным, нейтронный коллиматор должен быть вакуумирован.
n
n
OD
OD
[0034] Нейтроны, сгенерированные посредством (γ, n) реакции, являются быстрыми нейтронами. После того как применяются мишень 130 нейтронного преобразования и сглаживающий отражатель 120, энергия части нейтронов будет уменьшена. Следовательно, после проникновения в фильтрующее тело 140 энергия нейтронов будет выглядеть как непрерывное распределение. Поскольку ускоритель электронов является импульсным источником, нейтроны также будут испускаться импульсами. В целом, это нейтроны непрерывного энергетического спектра с импульсной структурой во времени, которые проникают в фильтрующее тело 140. Нейтроны с более высокой энергией имеют более быструю скорость полета, в то время как нейтроны с более низкой энергией имеют более медленную скорость полета, что ведет к различным временам, за которое они достигают детектора, как показано в формуле (1) ниже, где L обозначает расстояние пролета, E обозначает энергию нейтрона, и m обозначает массу покоя нейтрона. Принимая во внимание тот факт, что расстояние d между изучаемым объектом и детектором 170 нейтронов гораздо меньше расстояния L между мишенью нейтронного преобразования и изучаемым объектом, влияние d игнорируется в формуле (1) ниже.
(1)
[0035]
[0036] Различные энергетические уровни различных пучков нейтронов приводят в результате к соответствующим временам пролета пучков нейтронов через одинаковое расстояние. Как показано на фиг. 1, нейтроны (a), нейтроны (b), нейтроны (c), нейтроны (d) и нейтроны (e) показаны на основе различных энергетических уровней нейтронов; и скорость пролета нейтронов (a) меньше скорости пролета нейтронов (b), скорость пролета нейтронов (b) меньшей скорости пролета нейтронов (c), скорость пролета нейтронов (c) меньше скорости пролета нейтронов (d), и скорость пролета нейтронов (d) меньше скорости пролета нейтронов (e).
n
[0037] Фиг. 2 - это схематичный чертеж процесса визуализации согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Фиг. 2 показывает вид в поперечном разрезе детектора нейтронов. Детектор 170 нейтронов, применяемый в устройстве согласно настоящему варианту осуществления, может быть чувствительным к нейтронам микроканальным анодным детектором, который поддерживается посредством удерживающего кольца, и может принимать во внимание требования по эффективности обнаружения нейтронов, позиционному разрешению и временному разрешению. Схематичный чертеж принципа измерения нейтронов посредством чувствительной к нейтронам микроканальной пластины показан на фиг. 2. Падающие нейтроны поглощаются в чувствительной к нейтронам микроканальной пластине (MCP), чтобы генерировать электроны внутренней конверсии. Электроны внутренней конверсии индуцируют процесс размножения в MCP, формирующий облако электронов, и считывающие электроды (например, линия_X задержки и линия_Y задержки, размещенные перекрестным образом) анализируют положение облака электронов, с тем, чтобы получать количественную, информацию о положении и времени нейтронов, которая собирается и преобразуется в цифровой сигнал посредством схемы 180 сбора данных, как показано на фиг. 1, и изображения под воздействиям нейтронов различных энергетических уровней отображаются на дисплее аппарата 190 обработки данных.
[0038] По существу информация о положении и информация о времени у нейтронов, которые проникают в изучаемый объект, измеряются посредством чувствительного к положению и времени детектора 170 нейтронов, схемы 180 сбора данных, соединенной с детектором 170 нейтронов, и аппаратом 190 обработки данных, соединенных со схемой 180 сбора данных. С помощью импульсного образца линейного ускорителя высокоэнергетических электронов высокой энергии, используемого в качестве нулевой точки отсчета времени, измеряется энергия нейтронов на основе времени, в которое нейтроны достигают детектора, а изображения под воздействием нейтронов различных энергий сохраняются соответствующим образом. Например, детектор 170 нейтронов принимает пучок нейтронов, который пронизывает изучаемый объект, для получения электрического сигнала. Схема 180 сбора данных соединяется с детектором 170 нейтронов, чтобы преобразовывать электрический сигнал в цифровой сигнал. Аппарат 190 обработки данных, такое как компьютер, соединяется со схемой 180 сбора данных, чтобы получать изображения изучаемого объекта под воздействием нейтронов различных энергий на основе цифрового сигнала. Согласно некоторым вариантам осуществления аппарат 190 обработки данных дополнительно получает изображения изучаемого объекта под воздействием нейтронов различных энергетических спектров на основе времяпролетного метода, при этом время, в которое посредством линейного ускорителя высокоэнергетических электронов генерируется импульс рентгеновского излучения, используется в качестве опорного.
0
e
d
d
c
c
b
b
a
[0039] Фиг. 3 показывает схематичный чертеж, изображающий времена прибытия нейтронов с различными энергетическими уровнями согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 3, образец линейного ускорителя высокоэнергетических электронов является нулевой точкой t отсчета. Различия скорости между нейтронным пучком (a), нейтронным пучком (b), нейтронным пучком (c), нейтронным пучком (d) и нейтронным пучком (e) приводят в результате к распределению их соответствующих времен пролета, как показано на фиг. 4, т.е., время пролета t нейтронного пучка (e) меньше времени пролета t нейтронного пучка (d), а t меньше времени пролета t нейтронного пучка (c), t меньше времени пролета t нейтронного пучка (b), t меньше времени пролета t нейтронного пучка (a). По существу, данные изображения под воздействием нейтронных пучков соответствующих энергий могут быть получены посредством считывания данных детектором 170 нейтронов в течение конкретного периода времени после нулевой точки t0 отсчета.
[0040] Фиг. 4 показывает схематичную блок-схему аппарата 190 обработки данных, как показано на фиг. 1. Как показано на фиг. 4, данные, собранные посредством коллектора данных, сохраняются в память 191 через интерфейсный блок 198 и шину 194. Постоянное запоминающее устройство (ROM) 192 хранит конфигурационную информацию и программу процессора данных компьютера. Оперативное запоминающее устройство (RAM) 193 используется, чтобы временно хранить различные данные во время работы процессора 196. Кроме того, память 191 также хранит компьютерную программу для выполнения обработки данных, такую как программы для обработки изображений и отображения, и т.д. Внутренняя шина 194 соединяется с памятью 191, постоянным запоминающим устройством 192, оперативным запоминающим устройством 193, аппарат 195 ввода, процессором 196, аппаратом 197 отображения и интерфейсным блоком 198.
[0041] После того как пользователь вводит операционную команду посредством аппарата 195 ввода, такого как клавиатура и мышь, процессор 196 считывает информацию о положении нейтронов, полученную посредством детектора 170 нейтронов в конкретном периоде времени, и отображает на аппарате 197 отображения, таком как LCD-дисплей, или выводит результат обработки непосредственно в форме твердой копии, такой как печатная форма.
[0042] Фиг. 5 показывает график, изображающий макроскопические эффективные сечения поглощения нейтронов лопатки турбины и оставшегося сердечника, которые показывают их различные характеристики, т.е., эффективное сечение нейтрона для оставшегося сердечника больше в области нейтронов низкой энергии, в то время как эффективное сечение нейтрона лопатки турбины больше в области высокой энергии. Для того чтобы получать хорошую способность обнаружения оставшегося сердечника, может быть использована способность выбора энергии нейтронов системы, чтобы выбирать нейтроны в области низкой энергии (0,3 эВ или меньше) для формирования изображения оставшегося сердечника, так чтобы обнаруживать потенциальный оставшийся сердечник. Если лопатка турбины должна быть изображена, для формирования изображения могут быть выбраны нейтроны области высокой энергии (0,3 эВ или более). С помощью такой технологии нейтронографии различающейся энергии может быть получена улучшенная способность различения материала. Таким образом, когда оставшийся сердечник обнаруживается посредством нейтронографии, формирование изображения может выполняться посредством выбора области оптимизированной энергии нейтронов, чтобы получать более высокую чувствительность оставшегося сердечника.
[0043] Хотя настоящее изобретение было объяснено с точки зрения проверки лопаток авиационного двигателя, в качестве примера в вышеописанных вариантах осуществления, специалисты в области техники поймут, что вышеописанные варианты осуществления могут быть использованы для других прикладных задач, таких как проверка аккумулятора и т.п.
[0044] В то время как настоящее изобретение было описано со ссылкой на несколько типичных вариантов осуществления, должно быть понятно, что термины, использованные здесь, являются иллюстративными и примерными, а не ограничивающими. Поскольку настоящее изобретение может быть осуществлено во многих формах без отступления от духа или сущности настоящего изобретения, должно быть понятно, что вышеописанные варианты осуществления не ограничиваются какими-либо из вышеупомянутых деталей, а должны истолковываться широко в духе и рамках настоящего изобретения, которые определены прилагаемой формулой изобретения. Таким образом, все вариации и модификации, которые попадают в рамки формулы изобретения или ее эквивалентов, предполагаются как охваченные прилагаемой формулой изобретения.