儀器信息網(wǎng)訊 2018年7月13日下午，2018中國(guó)材料大會(huì)(CMRS)各分會(huì)場(chǎng)會(huì)議交流拉開(kāi)帷幕。本次大會(huì)共設(shè)35個(gè)分會(huì)場(chǎng)，儀器信息網(wǎng)編輯走入E02.材料表征與評(píng)價(jià)分會(huì)場(chǎng)，為讀者帶來(lái)分會(huì)場(chǎng)中引起觀眾熱烈關(guān)注的一場(chǎng)報(bào)告的內(nèi)容報(bào)道。中國(guó)原子能科學(xué)研究院核物理研究所的副研究員韓松柏帶來(lái)的報(bào)告《中國(guó)先進(jìn)研究堆中子照相技術(shù)應(yīng)用》。報(bào)告中全面介紹了中國(guó)先進(jìn)研究堆中子照相技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)和產(chǎn)品，如儲(chǔ)氫材料、鋰電材料的研究者們想要獲取材料內(nèi)部變化的圖像信息，就可以利用中子照相技術(shù)。此外，報(bào)告中特別展示了放射性樣品間接中子CT研究最新進(jìn)展。

中國(guó)原子能科學(xué)研究院核物理研究所副研究員 韓松柏

世界第三的高通量中子源

　　常見(jiàn)的X射線成像利用的是X射線與內(nèi)層電子的相互作用。中子散射、中子成像這類(lèi)應(yīng)用，是因?yàn)橹凶泳哂凶陨硖赜械牧Ｗ有再|(zhì)。中子不帶電荷，可與原子核相互作用，它的散射能力與原子序數(shù)沒(méi)有關(guān)系，對(duì)于C、H、O、N等相對(duì)原子質(zhì)量較輕的元素，利用中子成像可得到更清晰的圖像信號(hào)，而這些元素對(duì)X射線而言是透明的。中子這具有不帶電的特點(diǎn)，使其具有很強(qiáng)的穿透性，在實(shí)際測(cè)量金屬材料的過(guò)程中具有很高的穿透深度。像高溫、高壓、磁場(chǎng)、電場(chǎng)這幾類(lèi)加載樣品環(huán)境，可以采用許多不透光的金屬作為窗口。在X射線，同步輻射均沒(méi)有辦法解決問(wèn)題的時(shí)候，中子就體現(xiàn)出了它的優(yōu)勢(shì)。中子有磁矩，是一個(gè)真正的三維磁性結(jié)構(gòu)。中子對(duì)臨近原子、同位素具有一定的分辨能力。

　　技術(shù)的開(kāi)展以及利用中子進(jìn)行科學(xué)研究需要解決的首要問(wèn)題是如何獲取高通量的中子源。中國(guó)投資數(shù)十億建成來(lái)開(kāi)展中國(guó)原子能科學(xué)研究院的中國(guó)先進(jìn)研究堆，位于北京市房山區(qū)。與通過(guò)使用質(zhì)子轟擊重金屬靶來(lái)獲取中子的中國(guó)散裂中子源不同，中國(guó)原子能科學(xué)技術(shù)研究院的中國(guó)先進(jìn)研究堆采用裂變反應(yīng)的方式來(lái)得到中子。目前，韓松柏開(kāi)展中子照相實(shí)驗(yàn)的高通量中子源功率高達(dá)60MW，中子通量高，其規(guī)模目前排名亞洲第一、世界第三。堆芯發(fā)生裂變產(chǎn)生中子，從孔道穿出，向四面發(fā)散;由于中子源的建設(shè)成本很高，通過(guò)使用導(dǎo)管把中子引入到另一個(gè)大廳，可以損失很少的中子，以更好地利用每一個(gè)中子;中子的引出是為了建設(shè)更多的中子譜儀，目前中國(guó)先進(jìn)研究堆已建成的譜儀有9臺(tái)，在建的有5臺(tái)。

中子照相技術(shù)五大特點(diǎn)

　　中子成像技術(shù)是隨著X射線成像技術(shù)的進(jìn)步而不斷發(fā)展的。隨著上世紀(jì)90年代數(shù)字相機(jī)的出現(xiàn)，有了數(shù)字成像技術(shù);上世紀(jì)90年代中期，中子CT技術(shù)也發(fā)展了起來(lái)。中子照相的類(lèi)別包括實(shí)時(shí)成像、共振成像。根據(jù)中子能量的不同，還可分為冷中子成像，快中子成像，超熱中子成像，單波長(zhǎng)中子成像等等。

　　中子照相是通過(guò)利用中子束穿過(guò)物體時(shí)在強(qiáng)度上的衰減變化，對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行透視成像，從而獲取內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。中子源不能像X射線一樣做成錐束，在實(shí)際應(yīng)用中，中子發(fā)散束均被當(dāng)做平行束進(jìn)行處理。由于中子本身獨(dú)特的性質(zhì)，中子照相技術(shù)有五個(gè)特點(diǎn)：

　　(1)深穿透性無(wú)損檢測(cè);

　　(2)可觀測(cè)磁場(chǎng);

　　(3)對(duì)輕元素敏感;

　　(4)區(qū)分同位素;

　　(5)可測(cè)試放射形樣品。

　　因此，中子照相技術(shù)在某些應(yīng)用領(lǐng)域獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，如：對(duì)于同一個(gè)金屬外殼的炸彈樣品，可見(jiàn)光只能觀測(cè)到外表，X射線(150keV)無(wú)法看穿樣品，Gamma射線(1.2MeV)能穿透但分辨率較差，中子(25MeV)不僅可以穿過(guò)樣品，還可清晰觀測(cè)到其中的炸藥、電線、開(kāi)關(guān)、計(jì)時(shí)器等部件。對(duì)于放射型樣品，常規(guī)的X射線，膠片，包括成像板、相機(jī)都會(huì)出現(xiàn)很大的干擾，只有中子成像能夠通過(guò)一定方法而把干擾去除。

9大譜儀和12項(xiàng)應(yīng)用研究全掃描

　　中國(guó)原子能科學(xué)研究院的合作模式是與有中子成像測(cè)試需求的國(guó)際、國(guó)內(nèi)科研單位合作，利用中國(guó)先進(jìn)研究堆的中子源建設(shè)相應(yīng)的中子譜儀和開(kāi)展中子成像應(yīng)用研究。目前，中國(guó)先進(jìn)研究堆已建成譜儀9臺(tái)，另有5臺(tái)在建。同時(shí)，與12家單位開(kāi)展了一些中子成像的相關(guān)應(yīng)用研究。

　　粉末衍射譜儀目前有兩臺(tái)，一臺(tái)是與中國(guó)科學(xué)院大學(xué)合作建設(shè)的高分辨粉末衍射譜儀，另一臺(tái)是與北京大學(xué)合作建設(shè)的高強(qiáng)度粉末衍射譜儀，均由對(duì)應(yīng)高校出資。該設(shè)備可以觀測(cè)和分析材料相態(tài)的純度。

　　中子殘余應(yīng)力譜儀是與瑞典烏普薩拉大學(xué)合作建設(shè)的，可以研究材料疲勞與失效行為，通過(guò)分析內(nèi)部殘余應(yīng)力來(lái)解釋材料失效原因，目前該設(shè)備承擔(dān)了很多國(guó)家重大科研任務(wù)。

　　中子織構(gòu)譜儀、四圓單晶譜儀、熱中子三軸譜儀是從德國(guó)Jülich國(guó)家研究中心引進(jìn)，中子織構(gòu)用于研究材料自由取向，四圓單晶用于測(cè)量單晶材料。從德國(guó)引進(jìn)的熱中子三軸譜儀有兩臺(tái)，目前是與中科院物理所合作，主要用于研究材料動(dòng)力學(xué)，研究?jī)?nèi)容均為前沿基礎(chǔ)理論的方向，如熱電材料、超導(dǎo)材料等，這類(lèi)研究成果通常發(fā)表在Nature，Science等刊物。

　　中子反射譜儀和中子小角譜儀，是同中科院化學(xué)所合建的，反射譜儀用于研究材料表面，以及薄膜材料，主要有液體表面及高分子薄膜;中子小角主要用于做納米相。

　　韓松柏在中國(guó)先進(jìn)研究堆開(kāi)展實(shí)驗(yàn)主要使用的兩臺(tái)設(shè)備，一臺(tái)是高分辨探測(cè)系統(tǒng)，做實(shí)時(shí)成像，分辨率能做到50~80μm;另一臺(tái)是高速探測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)成像速度可達(dá)100幀/秒，分辨率則相對(duì)較低。

　　在建的中子譜儀設(shè)備有5臺(tái)。和人民大學(xué)合作建設(shè)冷中子三軸譜儀和冷中子光譜儀?，F(xiàn)有一臺(tái)中子殘余應(yīng)力譜儀已無(wú)法滿(mǎn)足需求，和中南大學(xué)合作建設(shè)工程譜儀。這三臺(tái)譜儀總值約兩億多元，受到國(guó)家自然科學(xué)基金委的重大儀器專(zhuān)項(xiàng)支持，預(yù)計(jì)明年建成并投入使用。

　　此外，在建的還有兩臺(tái)中子照相裝置，以及利用中子開(kāi)展中子活化分析的裝置。活化分析主要用于痕量元素的無(wú)損分析，如空氣PM2.5的來(lái)源：不同的C元素來(lái)源，同位素不同，可做一個(gè)標(biāo)記物C14來(lái)進(jìn)行研究。

　　中國(guó)原子能科學(xué)研究院還同中航工業(yè)北京航空材料研究院等12家單位合作開(kāi)展了一些中子成像的相關(guān)應(yīng)用研究。合作研究的內(nèi)容有：航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片脫芯測(cè)試，干電池與鋰離子電池中子照相，商業(yè)鋰離子電子CT成像，燃料電池吹掃實(shí)驗(yàn)，燃料電池低溫啟動(dòng)，兩相流快速中子照相實(shí)驗(yàn)，油滲沙4D測(cè)量，古生物化石CT，壓力容器鋼焊接，砂巖自發(fā)吸滲，混凝土裂縫毛細(xì)吸附，混凝土鋼筋銹蝕中子CT測(cè)量。應(yīng)用研究結(jié)果很好地體現(xiàn)了中子照相技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，如：

　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片脫芯測(cè)試—通過(guò)圖像增強(qiáng)技術(shù)可以很可靠地觀測(cè)到航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片脫芯測(cè)試過(guò)程是否脫芯完全。

　　干電池與鋰離子電池中子照相—可清晰地觀測(cè)到干電池與鋰離子電池在滿(mǎn)電與耗盡時(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和狀態(tài)。

　　燃料電池低溫啟動(dòng)—中子開(kāi)展燃料電池的研究有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，中子穿透能力強(qiáng)，對(duì)于含氫物質(zhì)比較敏感;研究燃料電池低溫啟動(dòng)的過(guò)程中，可以觀察到過(guò)冷水、冰是怎么生成，分布，以及如何演化變化的過(guò)程。

　　壓力容器鋼焊接—利用能量選擇中子成像研究壓力容器鋼焊接，可細(xì)致微觀地研究結(jié)構(gòu)相變、織構(gòu)以及進(jìn)行應(yīng)力分析。

　　油滲沙4D測(cè)量，砂巖自發(fā)吸滲，混凝土裂縫毛細(xì)吸附—X射線無(wú)法觀測(cè)水的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，而中子成像可以觀測(cè)到這些行為。

　　混凝土鋼筋銹蝕中子CT測(cè)量—將混凝土鋼筋放在配置好的一個(gè)腐蝕液里，每過(guò)一段時(shí)間進(jìn)行一個(gè)檢測(cè)，中子成像不但可以把鋼筋的圖層剝離出來(lái)，可以把鐵銹的圖層剝離出來(lái)，從而觀測(cè)到腐蝕演化的進(jìn)程。

放射性樣品間接中子CT研究進(jìn)展

　　放射型材料可以用中子照相進(jìn)行檢測(cè)，使用間接成像的方法。首先將中子束打在被測(cè)樣品上，中間接一個(gè)金屬轉(zhuǎn)換屏，該金屬屏只能被中子所活化，而不能被γ、α等粒子所活化;金屬屏帶了顯像信息之后，送入暗室進(jìn)行二次曝光，有膠片和IP(Image Plate)板兩種成像形式?；镜牧鞒淌牵恨D(zhuǎn)換屏與中子曝光→與膠片曝光之前的冷卻→轉(zhuǎn)換屏與膠片曝光→膠片的顯影及成像分析→轉(zhuǎn)換屏的冷卻。

　　IP板是目前主流的一個(gè)技術(shù)，具有三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：數(shù)字化成像數(shù)據(jù)，方便數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ);更寬的曝光線性范圍，可對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下的成像數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析;成像黑度值與曝光量為線性關(guān)系，利于進(jìn)行精確的定量測(cè)量。

　　其研究團(tuán)隊(duì)利用國(guó)內(nèi)首臺(tái)核燃料元件中子照相測(cè)試平臺(tái)，在反應(yīng)堆功率10MW的條件下，對(duì)模擬核燃料元件進(jìn)行了CT無(wú)損測(cè)試、2D中子成像、測(cè)量雜質(zhì)尺寸，對(duì)三明治型結(jié)構(gòu)管材進(jìn)行了中子CT三維實(shí)驗(yàn)，對(duì)高管進(jìn)行了高分辨CT成像等實(shí)驗(yàn)。

　　報(bào)告結(jié)束后，多名參會(huì)的老師和學(xué)生向韓松柏提問(wèn)，韓松柏一一回答了他們的問(wèn)題，并向廣大對(duì)中子成像技術(shù)感興趣的科研工作者作出邀請(qǐng)，歡迎他們來(lái)到原子能院的中子譜儀測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

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