近日，由中國科學院高能物理研究所研究員梁天驕、上海交通大學物理與天文學院教授陳黎明、中科院物理研究所研究員吳令安組成的研究團隊，探索出用于真實物體的單像素中子成像新方法。該方法通過深硅刻蝕和填充高中子吸收截面粉末的方式制作出中子調(diào)制器件，使中子束穿過調(diào)制器件后在空間上的分布具有預設置的漲落；照射在成像對象上，利用不具有空間分辨能力的單像素探測器收集信號；將該信號和預設置的調(diào)制圖案通過強度關聯(lián)還原出成像物體的像，空間分辨率達到100微米。此外，研究人員還結合飛行時間成像模式，使成像的波長（能量）分辨率可達0.4%（@1？），且每幀圖案僅需1000左右的中子計數(shù)。

上述實驗在中國散裂中子源20號束線完成，與現(xiàn)有中子透射成像相比，該方法成本低、裝置簡單，不僅適用于較低強度的緊湊型中子源，而且在上述兩方面更加適用于諸如可移動式的激光驅(qū)動脈沖中子源，在工業(yè)應用、材料科學和生物學上將具有應用前景。

中子成像利用中子的高穿透性和對輕元素靈敏等特性，在無損檢測中具有意義。隨著中國散裂中子源、中國先進研究堆等大科學裝置的建成，中子成像有望在我國眾多領域的研究與應用中發(fā)揮重要作用。但大型中子源機時緊張且不具有移動性，限制了其應用。然而，對于緊湊型中子源，其強度又難以在可接受的時間范圍內(nèi)使用傳統(tǒng)中子成像的方法得到高空間分辨的二維圖像。此外，利用散裂中子源的脈沖時間特征，時間飛行（time-of-flight，ToF）成像模式可進行波長分辨，這對中子源強度提出更高要求，緊湊型中子源更不具備該能力。因此，獨創(chuàng)一種利用較低強度、可移動式的脈沖中子源進行空間和時間分辨成像方法，成為中子成像實際應用的關鍵。

圖1. 中子單像素成像實驗方案。插圖是三維光學顯微鏡記錄的典型調(diào)制模式

圖2. 歸一化桶探測器信號和重建圖像。（a）桶探測器記錄的每一幀中子束線強度;上圖為束線波動，下面兩個線分別為加了字母N和條紋的束線強度；（b）物體N；（c）、（d）常規(guī)GI和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）分別從1024次采樣中獲取的物體N和圖像。（e）條紋物體；（f）、（g）常規(guī)GI和CNN分別從512次采樣中獲取的條紋圖像

單像素成像技術通過使用無空間分辨能力的探測器進行物理信號的采樣，需要將大量在空間上進行調(diào)制的不同波場，按時間順序投射到目標物體以獲取空間分辨，進而重建出高空間分辨率的圖像。目前，該方法已在可見光和X射線波段實現(xiàn)。工業(yè)應用和生物醫(yī)學等領域希望使用較弱的中子源以實現(xiàn)高質(zhì)量的中子成像，由此而催生了單像素中子鬼成像技術需求。相關研究成果在線發(fā)表在Science Bulletin上，高能所曾智蓉和物理所博士生何雨航、黃祎祎為論文的共同第一作者。研究工作得到國家重點研發(fā)項目、國家自然科學基金項目、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、民用空間項目和科學挑戰(zhàn)計劃項目的支持。

論文鏈接：https://authors.elsevier.com/sd/article/S2095-9273(20)30626-5