專利名稱:中子顯微成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實用新型是關(guān)于一種中子顯微成像技術(shù),特別是涉及到中子物理成像的中子顯微成像裝置。
1.中子具有一定的靜止質(zhì)量,m0=1.674920×10-24g,根據(jù)物質(zhì)波動理論,由德布羅意公式可以得到中子的波長λ=81.8E]]>例如一個熱中子其能量E=25meV,它的波長為0.181nm,該值接近于原子大小;又如一個共振中子E=1MeV,它的波長λ=2.86×10-5nm。通常探測儀器的分辨率和它的波長成反比,因此,當(dāng)用中子作為顯微鏡的照明源時,極限分辨率為波長的1/2,足以觀察原子核內(nèi)部的精細結(jié)構(gòu),可見其誘惑力是多么大。
2.中子不帶電荷,因此,它射入物質(zhì)時,不僅不與核外電子相互作用,不需要克服核庫侖力的障礙,因而即使是低能粒子,也能進入原子核內(nèi),引起各種核反應(yīng)。
3.除了氫、鋰、硼等個別元素外,中子質(zhì)量吸收系數(shù)遠比X射線小,特別是在重元素里,中子的穿透能力很強,在輕元素里,穿透能力較差,其行為正好與X射線相反。
X射線透射顯微術(shù)的襯度機制,是當(dāng)X射線和物質(zhì)相互作用時,在入射方向上,光子數(shù)減少并遵從比爾定律,而中子也具有這種特性。
從上面介紹可以看出,假如中子和顯微技術(shù)結(jié)合起來,對于超微細結(jié)構(gòu)的研究、洞察自然界的奧秘,將提供一個有效的工具。
在先技術(shù)中,1997年,在帕諾·斯蓋仁研究所提供了一種中子透射射線照相裝置,此儀器分辨率最高為2μm,但它還不是一臺中子顯微成像裝置,不能觀察原子核內(nèi)的精細結(jié)構(gòu)。
本實用新型的具體結(jié)構(gòu)是包括由屏蔽層10構(gòu)成的屏蔽室11,內(nèi)置有中子源1,在屏蔽室11內(nèi),由中子源1發(fā)射的中子束,首先經(jīng)過長筒狀的中心軸線OO′與中子束中心束軸OO′重合置放的準直器2,經(jīng)準直器2準直的中子束,到入射面與中子束中心束軸OO′的夾角α=10°~20°置放的、并中點O′在中子束中心束軸OO′上的單色器3,經(jīng)單色器3出射的中子束的中心束軸O′O″與單色器3入射面的夾角α′=α,經(jīng)單色器3出射的單色中子束,經(jīng)過狹縫4和波帶片5,將中子束聚焦在置放在樣品臺7上的待測樣品6上,待測樣品6產(chǎn)生的信號經(jīng)正比計數(shù)器8變成電流信號,輸入到計算機9內(nèi)進行重構(gòu)處理。
所說的中子源1是裂變反應(yīng)堆中子源,或者是加速器中子源。
其中,裂變反應(yīng)堆中子源是把鈾和钚等裂變材料作燃料,而以中子為媒介、維持可控鏈式裂變反應(yīng)的裝置,稱為裂變反應(yīng)堆,這種裝置可獲得高通量的中子輻射,可達1013~1020中子數(shù)/秒,可以長期運行,并且已研究出多種方法,來實現(xiàn)中子單色化。
其中加速器中子源采用各類加速器,加速帶電粒子去轟擊某些靶核,產(chǎn)生中子。中子的單色性取決于帶電粒子的單色性,因此,加速器中子源的最大優(yōu)點是可產(chǎn)生單能中子。
所說的準直器2通常由一個具有矩形或圓形截面的鋼管或鋼筒構(gòu)成,從準直器2中出射中子,其發(fā)散度等于孔徑和長度的比值,顯然只要縮小孔徑,增加長度,可以大大改善發(fā)散度,這樣做將損失出射中子的通量。
所說的單色器3為使中子單色化,通常選用一塊較大的單色晶體,用衍射方式,使不同波長的中子產(chǎn)生角色散進行單色化,其原理和光柵譜儀相類似。本實用新型的單色器3是由金屬晶體構(gòu)成的,如由鉛晶體構(gòu)成,或者由銅晶體構(gòu)成,或者由鈹晶體構(gòu)成。被單色器3反射的中子數(shù)N為N=2N1λ(EKT)e-E/KT2dcosθRθ]]>式中,N1為每秒鐘入射到單色器3上的所有速度的中子總數(shù);E波長為λ的中子能量;θ布喇格角;d晶格常數(shù);Rθ旋轉(zhuǎn)晶體積分反射率;K玻爾茲曼常數(shù);T絕對溫度所說的狹縫4,在中子工作中,通常選鎘作為狹縫。因為,在已知的各種材料中,鎘對中子的透射系數(shù)最低,趨近于零,所以鎘是最佳候選者。
所說的波帶片5是一種衍射透鏡,可以看成是一個線密度沿徑向遞增的圓形光柵,利用它的效率較高的一級衍射,幾乎可以對所有波長的輻射成像。本實用新型中用的是菲涅爾波帶片,它是由一系列環(huán)帶組成,用于將中子聚焦成極細小的焦斑(焦斑小于5nm),以便在待測樣品6上進行掃描。本實用新型中的聚焦元件波帶片,是用電子束制版制作的,分辨率由最外環(huán)波帶寬度決定,目前的最高分辨率已達5nm,通常是用鉛或鎘作材料。
樣品臺7可進行上下和左右平動,它可用壓電陶瓷控制,待測樣品6放在樣品臺7上。
所說的正比計數(shù)器8,由于中子在物質(zhì)中不能直接引起原子的電離,沒有電流輸出,所以本實用新型中是采用正比計數(shù)器8,接收中子數(shù)轉(zhuǎn)換成電流信號輸出,所采用的正比計數(shù)器8是3He計數(shù)管,3He計數(shù)管中的反應(yīng)是He23+n01=H11+H13+0.76MeV]]>其中,23He為氦的同位素,01n為中子源1發(fā)射的中子符號,11H,13H為氫的同位素。
這樣,中子信號就變成了電流信號,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)變,輸入到計算機中,就獲得待測樣品6的圖像信息。
從中子源1發(fā)出的中子,經(jīng)準直器準直后,發(fā)射一束平行的中子束到單色器3上,經(jīng)單色器3色散,形成單色中子束,再經(jīng)過鎘狹縫4濾波后,一平行單色的中子束照射到波帶片5上,中子經(jīng)波帶片5聚焦,焦點落在待測樣品6上。待測樣品6放置在樣品臺7上。樣品臺7作上下、左右移動掃描,從待測樣品6處透射的信號被正比計數(shù)器8接收,輸出電流信號,輸入到計算機9內(nèi)進行重構(gòu)處理。本實用新型與在先技術(shù)相比具有的優(yōu)點本實用新型的中子顯微成像裝置,由于采用中子源1,有單色器3的單色化、波帶片的聚焦等結(jié)構(gòu),可以測量極細微的結(jié)構(gòu),分辨率比較高。所以,可以在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、物理、地球化學(xué)和宇宙化學(xué)、考古學(xué)、海洋學(xué)等方面獲得極為廣泛的應(yīng)用。例如,中子顯微成像裝置可以測定核糖體和染色質(zhì)的結(jié)構(gòu);采集少量海水,就可對海洋沉積物和海底巖石微量元素分布規(guī)律進行研究;通過對地球和其它外來宇宙物質(zhì)中,稀土元素的豐度和分布分析測量,研究地球物質(zhì)的演變過程,和自然界元素的合成理論等。再如,用中子顯微成像裝置能研究農(nóng)藥在農(nóng)作物上的代謝和分解、在土壤中的積累和消失,及其在畜牧產(chǎn)品上的殘留;在物理學(xué)中,可用中子顯微成像裝置探測原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)等等。
從中子源1中出射的中子,經(jīng)準直器2入射到鉛單晶的單色器3上,產(chǎn)生色散,用鎘狹縫4選出部分中子束來,此時的中子束無論在發(fā)散度還是光譜質(zhì)量方面,都獲得了極大的改善。
<2>記錄和檢測系統(tǒng)波帶片5選用菲涅爾波帶片,波帶環(huán)數(shù)大于100,待測樣品6是生物組織,樣品臺7是二維移動平臺,正比計數(shù)器8是3He計數(shù)管。從狹縫4出射中子束,照明波帶片5,并被波帶片5聚焦在樣品臺7上的待測樣品6上,樣品臺7載著待測樣品6先上下移動掃描,然后左右移動掃描,中子束在待測樣品6上每掃描一點,需停留1ms時間。待測樣品6上每透射一點的中子束,入射到正比計數(shù)器8上,產(chǎn)生一電流脈沖,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換板,輸入到計算機9內(nèi)。由于待測樣品6上各點的吸收系數(shù)不同,輸入到計算機9的信息也各異,因此,就可獲得待測樣品6的清晰圖像。對于100μm大小的生物樣品,空間分辨率能達到10nm左右。
本實用新型的顯微成像裝置獲得的中子顯微圖像分辨率,取決于菲涅爾波帶片聚焦斑的大小,通常的分辨率可以達到10nm以下,比在先技術(shù)中用中子照相的最好結(jié)果高200倍以上。
權(quán)利要求1.一種中子顯微成像裝置,包括由屏蔽層10構(gòu)成的屏蔽室11,內(nèi)置有中子源1,其特征在于屏蔽室11內(nèi)由中子源1發(fā)射的中子束,首先經(jīng)過長筒狀的中心軸線(OO′)與中子束中心束軸(OO′)重合置放的準直器2,經(jīng)準直器2準直的中子束到入射面與中子束中心束軸(OO′)的夾角α=10°~20°置放的、并中點(O′)在中子束中心束軸(OO′)上的單色器3,經(jīng)單色器3出射的中子束的中心束軸(O′O″)與單色器3入射面的夾角α′=α,經(jīng)單色器3出射的單色中子束,經(jīng)過狹縫4和波帶片5,將中子束聚焦在置放在樣品臺7上的待測樣品6上,待測樣品6產(chǎn)生的信號,經(jīng)正比計數(shù)器8變成電流信號,輸入到計算機9內(nèi)進行重構(gòu)處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子顯微鏡,其特征在于所說的單色器3是由金屬晶體鉛晶體構(gòu)成,或者由銅晶體構(gòu)成,或者由鈹晶體構(gòu)成。
專利摘要一種中子顯微成像裝置,包括由中子源發(fā)射的中子束,經(jīng)過長筒狀的準直器準直,再經(jīng)過單色器變成單色中子束后,通過狹縫由波帶片將其中子束聚焦在置放在樣品臺上的待測樣品上,待測樣品產(chǎn)生的信號經(jīng)正比計數(shù)器變成電流信號,輸入計算機進行重構(gòu)處理。與在先技術(shù)相比,具有分辨率高、能夠測量微細結(jié)構(gòu),可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、物理、地球化學(xué)和宇宙化學(xué)、考古和海洋學(xué)等方面的微觀結(jié)構(gòu)的觀察測量。
文檔編號G01N23/02GK2591620SQ02283659
公開日2003年12月10日 申請日期2002年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月27日
發(fā)明者陳建文, 高鴻奕, 謝紅蘭, 徐至展 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所