中科院首次实现“单像素中子鬼成像” 有望在多项领域的研究发挥重要

成像就是生物样本的造影技术，依照样本尺度大小可以概分为组织造影与细胞分子的显微技术。这些大致都需要光学技术配合生物样本的特性发展，少数会使用光以外的波动性质，例如核磁共振、超音波等等。光在我们周围无处不在，光学成像技术也和我们的生活密不可分，如各种相机、摄像机、望远镜、投影仪等。

近日，中科院高能所探索出一种用于真实物体的单像素中子成像的新方法。单像素成像技术，是通过使用没有空间分辨能力的探测器进行物理信号的采样，需要将大量在空间上进行调制的不同波场，按时间顺序投射到目标物体以获取空间分辨，进而重建出高空间分辨率的图像。

目前该方法已在可见光和X射线波段实现。因工业应用和生物医学等领域希望使用较弱的中子源实现高质量的中子成像，由此催生了单像素中子鬼成像技术的巨大需求。

中子成像利用中子的高穿透性和对轻元素灵敏等特性在无损检测中具有独特而重要的意义。随着中国散裂中子源、中国先进研究堆等大科学装置的建成，中子成像有望在我国众多领域的研究与应用发挥重要的作用。

中子成像是一种简单的三维成像技术，这种技术只需利用品质并不是很好的中子流就可以通过高密度的材料，进而达到成像的目的。由于中子具有波粒二象性，所以可以用类似的标准光学技术来操作。将中子通过一个小孔以产生高度准直的束流，然后用合适的晶体来折射——就像光通过棱镜时不同波长的光波被分开——得到单一能量(或者说单一的波长)的中子束。但在这两个剔除不符合要求中子的过程会使得中子束流强度大大地降低，从而造成这种成像方法更耗时也更复杂。

鬼成像技术是指让一台高分辨率照相机为一个它本身并不能看到的物体成像，方法是使用两个传感器，一个对着一个光源，另一个对着这一物体，这两个传感器对着不同方向。

“鬼”成像又称双光子成像或关联成像 ,是一种利用双光子复合探测恢复待测物体空间信息的一种新型成像技术.传统的光学观察是基于光场的强度的分布测量，关联光学则基于光场的强度的关联测量，并且现有的成像技术主要利用光场的一阶关联信息(强度与位相)，而经典‘鬼’成像利用的光场的二阶关联被认为是一种强度波动的统计相关。

作为爱因斯坦-波多尔斯基-罗森( EPR) 佯谬争端的一个结论，纠缠光子对的空间非定域特性得到了广泛的认同。这种奇特的性质引发了与量子信息相关的研究。1993 年巴西科学家通过实验发现，采用纠缠热光源，通过复合计数，能使原本由于退相干而消失的杨氏干涉条纹，重新呈现在包含杨氏双缝的光路上。

而稍早，俄国科学家采用同样的手段，使得物体的边缘衍射条纹，呈现在并不包含物体的光路上 。此后，有关非局域量子成像的研究迅速开展起来。“非局域”，指通过一定的手段,使像在并不包含物体的光路上生成;因此这种成像的方式也叫“鬼成像”。

曾一度认为，只有基于纠缠态双光子的纠缠光源，才能实现鬼成像;但近年来的研究表明，经典热光场也能实现这一过程。从经典统计光学入手，建立了热光场的数值模型，模拟符合热光特性的光场变化、光场传播、以及物体透射函数对热光场的调制，进而从光强度起伏的关联函数中，分别重现振幅型物体和纯相位型物体的傅里叶变换图像;通过与真实实验结果的对比，表明基于统计光学原理的该数值模型所预测的实验结果，与真实的实验结果完全一致，这表明，基于统计光学的无透镜鬼成像亦可以实现。

计算机程序会比较从物体和光源得到的不同图像，并进行合成。这会产生一个“鬼像”，即这一物体的一张黑白或彩色照片。早期的“鬼像”是轮廓像，但目前的“鬼像”已较为逼真。 陆军研究实验所的量子物理学家罗恩·迈耶斯和他的团队在陆军研究实验所的量子实验室中得到的第一张“鬼像”，是一个不透明物体的图像。 迈耶斯说：“我认为，或者说我希望，若干年后，会出现这样的情景：一名军人使用一台量子鬼成像机，透过战场上的硝烟，辨清敌友。”量子鬼成像技术可以使用几乎任何光源———荧光灯泡、激光甚至太阳，能避免云、雾和烟等使常规成像技术无能为力的气象条件的干扰，从而获得更为清晰的图像。

鬼成像技术在军事领域还有其他应用。鬼成像传感器也许可以使直升机或无人机获得能评估投下的炸 弹所造成的破坏程度的图像。在医学领域和搜救行动中，也能利用这种成像技术。即可以采用非相干X射线源，来实现以往只能利用相干X射线才能完成的、具有纳米分辨率的衍射成像。

像素探测器是以硅为探测材料的粒子径迹探测器，是半导体探测器的一种。像素探测器的特色是其优异的空间分辨率和迅速的时间响应能力。在欧洲核子中LHC中的ATLAS探测器中，最靠近束流的子探测器就是像素探测器。

在一个2cm×6cm面积的模块中，就有47,268个像素单元，粒子穿过任何一个像素都会被记录下来。一个模块上有16个芯片和其他相关电子元件，用以读出数据。ATLAS实验中的像素探测器长1.4米，直径0.5米，总体成圆柱形，共装有1,744个模块，有超过8千万个数据读出通道。因为像素探测器最靠近粒子对撞点，需要它有很强的抗辐射能力。

中国散裂中子源(CSNS)是国家“十一五”期间重点建设的大科学装置，是位于国际前沿的高科技、多学科应用的大型研究平台。CSNS由中科院和广东省共同建设，选址于广东省东莞市，项目预计总投资为23亿元人民币。

散裂中子源是研究中子特性、探测物质微观结构和运动的科研装置，可带动物理学、化学、生命科学、材料科学、纳米科学、医药、国防科研和新型核能开发等学科发展。建成后，CSNS将成为发展中国家拥有的第一台散裂中子源，和正在运行的美国、日本与英国散裂中子源一起，构成世界四大脉冲散裂中子源。2018年8月23日，中国散裂中子源通过国家验收，投入正式运行，并将对国内外各领域的用户开放。2019年9月26日，中国散裂中子源开始新一轮开放运行。

新闻来源:中国科学院高能物理研究所

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