中子照相技术及其应用裴宇阳　唐国有　郭之虞(北京大学物理学院　重离子物理教育部重点实验室　北京　100871)摘　要　本文简述中子照相的原理、方法和特征。

包括中子源,中子转换屏,中子成像技术等关键技术。

给出在415M V静电加速器上快中子照相的结果。

并概述中子照相技术的一些应用实例。

关键词　中子照相　快中子　中子转换屏　无损检测概述我国的中子照相可以追溯到60年代初,中国原子能科学院朱家等人在研究性重水反应堆上由中子通过有关材料的强度变化,完成了我国第一颗原子弹引爆中子源的最终质量检测。

80年代初,清华大学核能研究院等单位曾在反应堆上开展过热中子照相的研究工作,是我国首批建成的能投入正式运行的堆热中子照相系统1,若干年来为航空国防等部门完成许多热中子照相任务。

东北师范大学自1985年起开始进行过小型中子照相装置的实验和研究2。

中子照相对中子源有较高的要求,也制约中子照相的发展,反应堆中子源中子流密度高,可获得优质的中子照相的照片,但费用高,设备笨重,随着中子照相的推广,为满足工业应用,中子照相小型化的要求越来越迫切,以致成为当今中子照相研究中的主要课题之一。

如采用中子管,加速器中子源的可移动式中子照相装置等。

近些年来,中子的成像技术也有迅猛的发展,特别是电成像,实时成像等成为显示中子图像的主要手段,这也是当前该领域的主攻课题之一。

中子照相技术具有其他无损探测技术无可替代的特点和优点,能够获得很多其它传统技术不能得到的重要信息。

射线检测是从X射线开始的,与X 射线无损检测相比较,X射线穿透物体时,受到核外电子作用而被衰减,因此其质量衰减系数,与材料原子序数有确定的函数关系。

与X射线不同,中子不带电,能轻易的穿透电子层,与原子核发生核反应,因此其质量衰减系数与入射的中子能量和物质的原子核截面有关,和原子序数关系复杂。

由于上述机理的区别,使中子照相具有下列X射线所没有的功能:中子能够:a)穿透重元素物质,对大部分重元素,如铁、铅、铀等,质量吸收系数小;b)对某些轻元素,如水、碳氢化合物、硼等质量吸收系数反而特别大;c)区分同位素;d)能对强辐射物质成高质量的图像等。

特别是在能够穿透许多金属、重金属检测内部有机物质状况上具有非常大的优势,中子照相与X 射线照相比较(见图1)。

中子照相 X射线图1　中子照相与X射线照相比较 中子源主要可分为四种,放射性同位素,如252C f,加速器,反应堆和中子管,可使用的中子能量变化范围很大,有冷中子、热中子、中能中子、快中子等,它们对同一核素的相互作用截面变化也很大,这些特性都可利用来进行无损检测工作,这也造成中子照相技术的多样性和复杂性。

可根据实际情况和需要利用这些特性来进行无损检测工作。

由于上述优点,1955年中子照相就在质量检测上有广泛的应用,包括武器部件的质量检测和库存武器的可靠性常规检测,到20世纪70年代初,中子照相已进入工业实用阶段特别在核电和宇航工业中应用已十分广泛,现在,中子照相作为一种常规的无损检测方法已经确立。

在众多学科研究和工业领域有着广泛和重要的应用。

1　中子照相的原理和装置111　中子照相的原理中子照相是基于射线穿过物体时会发生衰减的基本原理。

当中子入射到待照的样品后,由于中子与样品中的原子核发生相互作用(散射和核反应),透射中子的强度和空间分布将发生变化(见图2),71二○○四年·第五期新技术应用图2　中子照相原理示意图 I x =I 0e -μX B (E ,Z ,μx )(1)式中,I 0为射线入射强度,I x 为射线出射强度,μ=n σ物质的射线线性吸收系数,n 物质的核密度,σ物质核的中子全截面,B (E ,Z ,μx )物质的中子散射积累因子。

因为不同的材料对中子束有不同的衰减特性,这种作用的强弱与发生作用局部区域中样品所包含材料的性质(组成元素、密度、空穴等)有关,所以透射中子束即包含样品内部成分和结构的信息,再利用特定的技术和相关的影像技术,将透射中子注量率I x 的空间分布显示出来,就可获得待照样品内部所含材料的空间分布、密度变化、各种缺陷的综合信息,这就是中子照相的基本原理。

112　中子照相的装置中子照相系统的构成主要有三大部件:中子源2准直器2像探测器系统(包括中子转换屏),其基本部件(见图3)。

如何构成这个系统有许多种方案可供选择,它们的性质不同,投资费用不同,应用范围也有很大的不同。

图3　中子照相装置示意图2　中子照相系统的主要部件及相关技术中子按能量的不同可分为:冷中子、热中子、共振中子、快中子等。

其中热中子照相分辨率高,目前在中子照相中应用最为普遍,技术也比较成熟。

但热中子只能穿透较薄的金属层,对于象炮弹这样的物体,就难以得到清晰的图像。

快中子可以穿透较厚的金属层,故快中子照相在这方面可以弥补热中子的不足。

但快中子照相的分辨率较热中子要差一些,快中子照相因为它独特的优点和实际的需要近年来也取得了很大的发展和广泛的应用,成为中子照相的一个热点。

在一些特殊情况下,超热中子照相和冷中子照相也有其独特的优点。

构成不同能量的中子照相系统,所包含的部件及相关技术都不尽相同,但共同的主要组成部分为中子源、准直器和像探测器。

这三部分也称为中子照相的三要素,选择这些基本部件各自的性能特点,再加上一些各自的专有装置,如热中子照相系统的慢化体等,就组合成适用于不同应用要求的热中子、快中子、冷中子照相系统等。

以下分别对这些主要部件及相关技术就应用最为广泛的热中子和快中子照相为例进行介绍:211　中子源能产生自由中子的装置称为中子源。

作为中子照相的中子源主要有四种:反应堆中子源、加速器中子源、中子管中子源和同位素中子源。

21111　反应堆中子源　以235U 为燃料的热中子反应堆中子能谱为裂变谱,可引出能量在01005eV 到0105eV 的之间高通量的热中子束,引出孔热中子可达106～108n/cm 2·s -1,是当代进行热中子照相并能获取高精度影像最强的热中子源,是目前能实现快速实时成像的最强的热中子源。

但造价高,运行费用也高,设备庞大和昂贵,只能依托大型的反应堆建造热中子照相系统,缺乏灵活性。

堆中子源也包含一定的快中子成分,采用一定的技术也可提取快中子束。

但这种快中子束的能谱不单一,靶点大,γ射线成分高,所以不是理想的快中子照相的中子源。

21112　加速器中子源和中子管中子源　采用核反应产生单能或连续能谱的快中子,用于静电加速器和RFQ 直线等加速器等产生中子的核反应有:D (d ,n );T (d ,n );9Be (d ,n );9Be (p ,n )等。

倍加器中子发生器和中子管中子源主要采用D (d ,n ),T (d ,n )反应产生快中子。

目前RFQ 直线加速器最大快中子产额可达1013/s.4π。

中子管中子源主要利用T (d ,n )产生14MeV 快中子,当前国际上可用于中子照相的中子管最大快中子产额接近1011/s.4π。

使用寿命超过500h 。

加速器和中子管中子源产生的快中子束可直接用于快中子照相,加速器快中子源由于快中子产额高,中子靶点小(接近点源)不需要特殊的中子准直系统,是进行快中子照相首选的快中子源。

除堆中子源外,所有上述的快中子源用于热中子照相时,这些源发出的快中子必须经过慢化才可得到热中子。

81现代仪器二○○四年·第五期加速器源用于热中子照相,与反应堆中子源相比,虽然源的强度稍低,但造价低、安全性好,有一定的灵活性,因此便于推广。

与中子管中子源相比,源的强度高、使用寿命长,但移动性稍差。

将中子管中子源快中子慢化为热中子后实现热中子照相,有利于建立可移动式的紧凑型中子照相装置。

21113　同位素中子源　常用于中子照相的同位素252C f(锎)是一种自发裂变中子源,平均中子能量为2116MeV,252C f中子源寿命为2165年。

它是一种极紧凑,中子产额较高的同位素中子源,可是目前全世界252C f的产量很少(每年不过几克),价格昂贵,很难得到中子产额超过109n/s.4π的252C f中子源。

而且它的寿命比较短,运输、贮存等安全问题严重。

所以紧凑型热中子照相装置的配套中子源已多采用紧凑型中子管。

212　慢化体其功能是将快中子慢化为热中子,同时尽量提高热化效率,经慢化后,产生一个峰热中子所消耗的源中子数称为热化系数,它反映对源中子的利用效率,其大小主要与慢化体材料有关,要求当快中子与慢化剂的原子核作用时损失能量大,被吸收的几率小,常用于慢化中子的慢化体多为富氢的材料如:重水、普通水、石腊、聚乙烯等。

当然源中子的能谱和慢化装置的几何结构也是影响慢化效率的重要因素。

一般采用蒙特卡罗方法及相应的程序,如mcnp 程序进行慢化体物理上的初步优化设计,结合实验对工程设计进行调整从而获得最佳的慢化装置。

213　中子准直器中子照相中要求投射到待照样品的中子束尽可能为均匀分布的平行束,中子准直器就是为达这一目的关键部件。

作为热中子照相,为从反应堆孔道或加速器中子照相系统的慢化装置中提取平行度好的均匀热中子束,必须配备相应的热中子准直器,常见的中子准直器有圆管型、多束圆管型、多束平板型、发散型等。

加速器中子照相系统,一般采用发散型准直器,当准直器入口直径为D,长度为L的准直孔道引出中子束,定义L/D为准直比。

准直比愈大提取的热中子束的平行度愈好,对于加速器热中子照相系统的准直器的准直比,一般在20～100之间,对于反应堆热中子照相系统的准直器的准直比可达100～500。

准直比越大则图像的几何分辨率越好,但同时中子通量则会越小,所以要根据应用的需要和中子源的实际情况,综合考虑设计准直比的大小。

加速器快中子源近似于点源,当待照样品距中子靶一定距离时,可获得平行度和均匀性极好的中子束。

因此进行快中子照相不需要设计特殊的中子准直器。

214　转换屏探测透过样品的中子空间分布的关键部件为位置灵敏中子探测器,在中子照相技术中称为中子转换屏。

由于中子不能被胶片等像探测器直接探测,因此研制和选择合适的转换屏是十分关键的。

它的好坏对中子照相的性能有决定性的影响,中子转换屏中含有中子转化物质和荧光物质,中子转化物质可吸收热中子或快中子通过相互作用后放出α、β或γ射线或反冲质子。

这些次级射线或荷电粒子,使荧光物质发光,从而产生可被探测的物质影像。

对应不同类型的中子照相系统,中子与转换屏的作用机理不完全相同,在此仅介绍热中子和快中子转换屏。

21411　适合热中子照相的中子转换物质主要有两类　热中子照相可采用直接曝光和间接曝光获取中子空间分布的影像,因此适合热中子照相的中子转换物质主要有两类。

(1)含锂、硼、镉和钆与萤光材料均匀混合制作的热中子转换屏,配合高灵敏的感光胶片或其他数码成像技术(CC D,IP板)直接获取中子空间分布的影像。