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中子成像作为一种重要的无损检测和无损评价手段,广泛用于航天、军工、核工业、材料、医学等领域。基于加速器中子源的小型化中子成像装置有利于该方法的进一步推广和应用,为此北京大学发展了基于强流RFQ加速器9Be(d,n)反应中子源的小型中子成像装置(PKUNIFTY)。该装置由RFQ加速器、靶站和探测系统三部分构成,本论文主要讨论其靶站和探测系统的设计与实验研究。该RFQ加速器中子源的设计产额为2.9×1012n/S,相比常用的反应堆中子源仍然较低,如何根据RFQ加速器中子源的参数,在装置小型化的要求下充分利用该中子源产生的快中子,提供一定质量的成像中子束是本论文要解决的主要问题。 PKUNIFTY主要开展热中子照相的研究和应用,论文中首先分析了确定检测能力的主要因素,并根据RFQ加速器中子源参数,提出了装置的设计要求。热中子照相的靶站包括中子的慢化反射体、屏蔽体和准直引出系统,它们共同决定着成像中子束的参数。靶站的优化设计是对中子、γ射线输运计算的问题。本论文对比了输运计算的确定论算法和蒙特卡罗方法,确定了采用基于蒙特卡洛方法的MCNP程序。 论文利用MCNP程序对热中子照相的靶站结构做了系统的一体化优化设计。靶前至引出面放置聚乙烯块作为主慢化体,周围充满Φ13cm×26cm的水作为次慢化体和反射体,外层包裹8cm厚的铅和42cm厚的中子屏蔽材料。准直器同氘束流轴线偏转90°,采用内外双准直结构,光阑直径D为1cm、2cm、3cm和4cm可调。在距光阑2m、光阑直径4cm时成像面上的归一化热中子注量率为1.3×10-7n/s/cm2,热中子注量率均匀度优于90％,镉比为3.6,视场为20×20cm2。以上参数满足设计要求,能够获得较好的热中子照相效果。 中子探测系统采用转换屏-CCD方式,建立了成像的暗盒和屏蔽系统。为了降低成像束中的快中子和超热中子成份的影响,提高镉比,根据RFQ加速器中子源的脉冲特性,设计了基于飞行时间法的能量选择成像。能量选择通过ICCD相机的时控功能,或放置在镜头前端的光学斩波器实现,可以通过权衡热中子注量率的损失和所能够获得的镉比灵活设置成像参数。 编码中子源成像能够实现大中子发射面和高准直比的统一,是近些年被提出的一种新型中子成像方法。论文探索了改造PKUNIFTY热中子靶站结构,提供满足成像要求的编码中子源的设计方案。首先通过数值计算研究了编码中子源非理想因素对成像的影响,提出设计的标准。然后采用MCNP中的小孔成像探测器(pinhole)模拟编码源成像过程,并由此研究编码源的热中子注量率空间分布均匀度和角发射均匀度等参数。设计结果表明在孔道中紧贴慢化层增加4cm厚的聚乙烯和一块锲形的中子吸收层能够实现编码源处的热中子注量率空间分布不均匀度小于13％,角分布不均匀度小于10％;采用3cm厚的含碳化硼环氧树脂制作源光阑和物光阑,能够令本底降低到有效成份的20％以下。 为了检验以上设计的正确性,利用4.5MV静电加速器中子源对设计的关键环节做相同方法的设计并进行实验检验,结果表明模拟和实验能够较好的符合。此后又在建成的PKUNIFTY装置上进行了热中子照相实验和成像束参数的测量,在中子产额是设计产额1/10的工作状态下已经能够获得一定质量的图片,对像质指示器成像表明当前装置能够达到美国ASTM的四级标准,并且中子束参数的测量结果同设计值在误差范围内一致。