儀器信息網(wǎng)訊 2018年7月13日下午，2018中國材料大會(CMRS)各分會場會議交流拉開帷幕。本次大會共設(shè)35個分會場，儀器信息網(wǎng)編輯走入E02.材料表征與評價分會場，為讀者帶來分會場中引起觀眾熱烈關(guān)注的一場報告的內(nèi)容報道。中國原子能科學(xué)研究院核物理研究所的副研究員韓松柏帶來的報告《中國先進研究堆中子照相技術(shù)應(yīng)用》。報告中全面介紹了中國先進研究堆中子照相技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)和產(chǎn)品，如儲氫材料、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，報告中特別展示了放射性樣品間接中子CT研究最新進展。

中國原子能科學(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、中子成像這類應(yīng)用，是因為中子具有自身特有的粒子性質(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)沒有關(guān)系，對于C、H、O、N等相對原子質(zhì)量較輕的元素，利用中子成像可得到更清晰的圖像信號，而這些元素對X射線而言是透明的。中子這具有不帶電的特點，使其具有很強的穿透性，在實際測量金屬材料的過程中具有很高的穿透深度。像高溫、高壓、磁場、電場這幾類加載樣品環(huán)境，可以采用許多不透光的金屬作為窗口。在X射線，同步輻射均沒有辦法解決問題的時候，中子就體現(xiàn)出了它的優(yōu)勢。中子有磁矩，是一個真正的三維磁性結(jié)構(gòu)。中子對臨近原子、同位素具有一定的分辨能力。

　　技術(shù)的開展以及利用中子進行科學(xué)研究需要解決的首要問題是如何獲取高通量的中子源。中國投資數(shù)十億建成來開展中國原子能科學(xué)研究院的中國先進研究堆，位于北京市房山區(qū)。與通過使用質(zhì)子轟擊重金屬靶來獲取中子的中國散裂中子源不同，中國原子能科學(xué)技術(shù)研究院的中國先進研究堆采用裂變反應(yīng)的方式來得到中子。目前，韓松柏開展中子照相實驗的高通量中子源功率高達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，通過使用導(dǎo)管把中子引入到另一個大廳，可以損失很少的中子，以更好地利用每一個中子;中子的引出是為了建設(shè)更多的中子譜儀，目前中國先進研究堆已建成的譜儀有9臺，在建的有5臺。

中子照相技術(shù)五大特點

　　中子成像技術(shù)是隨著X射線成像技術(shù)的進步而不斷發(fā)展的。隨著上世紀90年代數(shù)字相機的出現(xiàn)，有了數(shù)字成像技術(shù);上世紀90年代中期，中子CT技術(shù)也發(fā)展了起來。中子照相的類別包括實時成像、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，單波長中子成像等等。

　　中子照相是通過利用中子束穿過物體時在強度上的衰減變化，對被測物體進行透視成像，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，在實際應(yīng)用中，中子發(fā)散束均被當做平行束進行處理。由于中子本身獨特的性質(zhì)，中子照相技術(shù)有五個特點：

　　(1)深穿透性無損檢測;

　　(2)可觀測磁場;

　　(3)對輕元素敏感;

　　(4)區(qū)分同位素;

　　(5)可測試放射形樣品。

　　因此，中子照相技術(shù)在某些應(yīng)用領(lǐng)域獨具優(yōu)勢，如：對于同一個金屬外殼的炸彈樣品，可見光只能觀測到外表，X射線(150keV)無法看穿樣品，Gamma射線(1.2MeV)能穿透但分辨率較差，中子(25MeV)不僅可以穿過樣品，還可清晰觀測到其中的炸藥、電線、開關(guān)、計時器等部件。對于放射型樣品，常規(guī)的X射線，膠片，包括成像板、相機都會出現(xiàn)很大的干擾，只有中子成像能夠通過一定方法而把干擾去除。

9大譜儀和12項應(yīng)用研究全掃描

　　中國原子能科學(xué)研究院的合作模式是與有中子成像測試需求的國際、國內(nèi)科研單位合作，利用中國先進研究堆的中子源建設(shè)相應(yīng)的中子譜儀和開展中子成像應(yīng)用研究。目前，中國先進研究堆已建成譜儀9臺，另有5臺在建。同時，與12家單位開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，一臺是與中國科學(xué)院大學(xué)合作建設(shè)的高分辨粉末衍射譜儀，另一臺是與北京大學(xué)合作建設(shè)的高強度粉末衍射譜儀，均由對應(yīng)高校出資。該設(shè)備可以觀測和分析材料相態(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，通過分析內(nèi)部殘余應(yīng)力來解釋材料失效原因，目前該設(shè)備承擔(dān)了很多國家重大科研任務(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Jülich國家研究中心引進，中子織構(gòu)用于研究材料自由取向，四圓單晶用于測量單晶材料。從德國引進的熱中子三軸譜儀有兩臺，目前是與中科院物理所合作，主要用于研究材料動力學(xué)，研究內(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。

　　韓松柏在中國先進研究堆開展實驗主要使用的兩臺設(shè)備，一臺是高分辨探測系統(tǒng)，做實時成像，分辨率能做到50~80μm;另一臺是高速探測系統(tǒng)，實時成像速度可達100幀/秒，分辨率則相對較低。

　　在建的中子譜儀設(shè)備有5臺。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)有一臺中子殘余應(yīng)力譜儀已無法滿足需求，和中南大學(xué)合作建設(shè)工程譜儀。這三臺譜儀總值約兩億多元，受到國家自然科學(xué)基金委的重大儀器專項支持，預(yù)計明年建成并投入使用。

　　此外，在建的還有兩臺中子照相裝置，以及利用中子開展中子活化分析的裝置。活化分析主要用于痕量元素的無損分析，如空氣PM2.5的來源：不同的C元素來源，同位素不同，可做一個標記物C14來進行研究。

　　中國原子能科學(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)動機葉片脫芯測試，干電池與鋰離子電池中子照相，商業(yè)鋰離子電子CT成像，燃料電池吹掃實驗，燃料電池低溫啟動，兩相流快速中子照相實驗，油滲沙4D測量，古生物化石CT，壓力容器鋼焊接，砂巖自發(fā)吸滲，混凝土裂縫毛細吸附，混凝土鋼筋銹蝕中子CT測量。應(yīng)用研究結(jié)果很好地體現(xiàn)了中子照相技術(shù)的特點和優(yōu)勢，如：

　　航空發(fā)動機葉片脫芯測試—通過圖像增強技術(shù)可以很可靠地觀測到航空發(fā)動機葉片脫芯測試過程是否脫芯完全。

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

　　燃料電池低溫啟動—中子開展燃料電池的研究有一個優(yōu)勢，中子穿透能力強，對于含氫物質(zhì)比較敏感;研究燃料電池低溫啟動的過程中，可以觀察到過冷水、冰是怎么生成，分布，以及如何演化變化的過程。

　　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，可細致微觀地研究結(jié)構(gòu)相變、織構(gòu)以及進行應(yīng)力分析。

　　油滲沙4D測量，砂巖自發(fā)吸滲，混凝土裂縫毛細吸附—X射線無法觀測水的運動過程，而中子成像可以觀測到這些行為。

　　混凝土鋼筋銹蝕中子CT測量—將混凝土鋼筋放在配置好的一個腐蝕液里，每過一段時間進行一個檢測，中子成像不但可以把鋼筋的圖層剝離出來，可以把鐵銹的圖層剝離出來，從而觀測到腐蝕演化的進程。

放射性樣品間接中子CT研究進展

　　放射型材料可以用中子照相進行檢測，使用間接成像的方法。首先將中子束打在被測樣品上，中間接一個金屬轉(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技術(shù)，具有三點優(yōu)勢：數(shù)字化成像數(shù)據(jù)，方便數(shù)據(jù)處理與存儲;更寬的曝光線性范圍，可對不同實驗條件下的成像數(shù)據(jù)進行對比分析;成像黑度值與曝光量為線性關(guān)系，利于進行精確的定量測量。

　　其研究團隊利用國內(nèi)首臺核燃料元件中子照相測試平臺，在反應(yīng)堆功率10MW的條件下，對模擬核燃料元件進行了CT無損測試、2D中子成像、測量雜質(zhì)尺寸，對三明治型結(jié)構(gòu)管材進行了中子CT三維實驗，對高管進行了高分辨CT成像等實驗。

　　報告結(jié)束后，多名參會的老師和學(xué)生向韓松柏提問，韓松柏一一回答了他們的問題，并向廣大對中子成像技術(shù)感興趣的科研工作者作出邀請，歡迎他們來到原子能院的中子譜儀測試平臺進行實驗。

　　儀器信息網(wǎng)將對2018中國材料大會現(xiàn)場跟蹤報道(詳見專題報道：2018中國材料大會)，歡迎關(guān)注CMRS后續(xù)精彩內(nèi)容。