基于MURA编码孔径与Timepix探测器的新型中子成像系统优化设计及蒙特卡罗模拟研究

针对核工业退役作业与国土安全中放射性热点精准定位需求，CEA List团队通过蒙特卡罗模拟优化了基于MURA编码孔径和Timepix探测器的快中子/γ混合成像系统。研究系统分析了材料（钨/聚乙烯）、孔径等级（3/7/11）及厚度对灵敏度、空间分辨率（8.5°~1.9°）和视场（FoV 71.1°~28.2°）的影响，建立了钨与聚乙烯的厚度等效关系（14 MeV中子需4倍厚度），为紧凑型中子成像设备（19×14×15 cm3 ，2.2 kg）的工程实现提供理论支撑。

　　

在核工业退役、核废料管理及国土安全领域，放射性物质的精准定位一直是重大挑战。传统γ成像技术在铅屏蔽等复杂场景中受限，而快中子成像能穿透高Z材料，成为互补性解决方案。然而，现有中子成像技术存在灵敏度不足、设备笨重（如散射相机体积达立方米级）等问题。法国CEA List研究所基于其成熟的GAMPIX γ相机技术，提出了一种仅2.2 kg的紧凑型快中子/γ混合成像仪，但编码孔径的参数优化尚未系统研究。

为解决这一问题，研究人员通过MCNP6蒙特卡罗模拟，首次全面评估了材料（12种元素）、ASM（Anti-symmetric Square MURA）孔径等级（3/7/11）和厚度（1-5 cm）对成像性能的影响。研究发现：钨因高原子序数成为最佳编码材料，其14 MeV中子编码信噪比（SCR）达聚乙烯的4倍；增加孔径等级虽提升空间分辨率（从8.7°降至2.4°），但会牺牲25%灵敏度；厚度增加会缩小视场（54.8°→28.5°），但通过修正公式（引入e/2厚度补偿项）可使预测误差<3.4°。这些结论发表于《Radiation Measurements》，为下一代便携式中子成像仪设计提供了关键参数库。

关键技术包括：1）基于MCNP6的蒙特卡罗模拟（ENDF/B-VII.1核数据库）；2）ASM编码孔径的"掩模/反掩模"解码算法；3）Timepix探测器耦合石蜡层的质子反冲探测技术；4）信号噪声比（SCR）量化模型。

研究结果分为三部分：

1. 材料影响：钨的编码SCR比聚乙烯高40%（²⁵²
   Cf源），但氢化物因质子反冲噪声偏离线性规律（图7）。
2. 等级优化：等级7在分辨率（3.8°）与灵敏度（9.64% SCR）间取得平衡，等级11的1°分辨率需牺牲30%计数效率（表3）。
3. 厚度效应：5 cm聚乙烯使视场缩小48%，但空间分辨率提升至5.9°，且厚度修正公式（式4）显著提升预测精度（图10）。

讨论部分指出，该研究首次揭示了快中子与γ成像的物理差异：中子因部分穿透性导致"自准直效应"，使热点投影中心偏移至孔径中点（e/2），这与γ成像中几何中心投影截然不同。通过建立钨-聚乙烯厚度等效方程（图9），研究者为不同应用场景（如高分辨率安检vs.大视场核设施巡检）提供了选材依据。尽管尚未开展实验验证，但该工作填补了编码孔径中子成像系统化设计的理论空白，其19 cm紧凑架构有望推动车载/机载核监测设备的实用化进程。未来研究将聚焦于多孔径融合成像与深度学习解码算法的开发。