中子关联成像实验方法研究

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关联成像是新兴的量子信息与成像光学的交叉前沿热点,在生物、医学、国防等领域有着广阔的应用前景。近年来基于经典热光场的强度关联成像已有大量的研究工作并取得了重大的进展和突破,而基于X射线的关联成像也得到了理论和实验的模拟验证。大量的研究结果表明,许多光子的相干成像理论可以运用到中子成像理论中,这些研究指出中子傅里叶变换关联成像在理论上也可以实现。这为利用完全非相干的热中子源,对非周期性结构物体实现具有原子级空间分辨能力的强度关联衍射成像提供了一条全新的技术途径,因而中子傅里叶变换鬼成像即中子傅里叶变换关联成像也成为国际上中子成像方法学的主要研究方向之一。中子傅里叶变换关联成像技术具有很高的原创性,目前国际上还没有中子傅里叶变换关联成像实验的报道,是一项极具挑战性的研究工作。如果能很快地得到证实,这将是世界上首次在实验上实现中子傅里叶变换关联成像,使中国在中子成像研究方面达到世界领先的地位。中子傅里叶变换关联成像实验方法研究是一项全新的探索性工作,研究涉及的领域非常广泛,需要解决的问题也较多,其中涉及中子单色、中子分束、中子聚焦、中子探测、中子成像等多项关键技术,而最关键的问题是如何获得合适的中子源。随着国内众多反应堆中子源相继投入运行,包括建设中的中国散裂中子源,这些硬件基础为中子傅里叶变换关联成像的实验研究提供了良好的发展平台。本论文针对中子傅里叶变换关联成像实验中的的一些关键技术进行了深入的探讨,在理论分析和仿真的基础上,提出了可行的实验方法。论文的主要研究内容及创新点如下:1.系统深入的调研了关联成像的发展历史及研究现状,阐述了关联成像的经典解释和量子解释,并分析了利用费米子实现关联成像的理论依据,认为在现有条件下开展中子傅里叶变换关联成像实验是可行的。2.参考X射线关联成像实验架构,提出了中子傅里叶变换关联成像的实验架构,并从理论上分析了实现关联成像的要求。3.根据中子的特点,提出了中子成像蒙特卡罗-衍射混合模型,并利用该模型对中子相衬成像进行了数值仿真,分析了相衬成像实验中参数选择对成像衬度的影响,为下一步关联成像的仿真和实验提供了依据。4.根据关联成像的实现要求,提出了采用反应堆冷中子源作为实验中子源的选择方案;根据关联成像的实验架构,初步探讨了中子分束的实现方法;针对关联成像对中子源相干时间的要求,分析了中子单色的方案;为获得理想的成像质量,调研了中子聚焦的实现方法,为下一步的实验提供了指导。5.结合中子探测技术的特点及关联成像中物臂和参考臂的探测需求,提出了采用高灵敏的闪烁体探测器和具有高空间分辨的中子相机分别进行桶测量和面测量的探测方案,并分析了实验数据获取中的时序控制设计需求。结合关联成像实验探测器的选择,设计了探测器性能测试平台,并探讨了中子探测中的n-y鉴别技术及辐射防护措施。
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