基于高壓倍加器的快中子照相技術(shù)研究

鄭小海，聶陽波，阮錫超，鮑 杰，侯 龍

(中國原子能科學(xué)研究院 核數(shù)據(jù)重點實驗室，北京 102413)

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基于高壓倍加器的快中子照相技術(shù)研究

鄭小海，聶陽波，阮錫超，鮑 杰，侯 龍

(中國原子能科學(xué)研究院 核數(shù)據(jù)重點實驗室，北京 102413)

本文詳述了所建立快中子照相系統(tǒng)的性能和實驗測試。依托中國原子能科學(xué)研究院的600 kV高壓倍加器，設(shè)計加工了線中子源和高L/D復(fù)合屏蔽準(zhǔn)直器，開展了14 MeV快中子照相系統(tǒng)對聚乙烯、鋁、鐵和鉛材料的空間分辨能力的實驗研究。實驗中分別采用了厚刀口法和狹縫指示器法，兩種方法得到的實驗數(shù)據(jù)相符合。研究結(jié)果表明，該快中子照相系統(tǒng)對單一材料能達到優(yōu)于1 mm的空間分辨能力，與理論計算結(jié)果相一致。

快中子照相；中子源；空間分辨

中子照相是一種優(yōu)良的無損檢測方法，可用于檢測復(fù)合材料中各種元素的分布，也可用于航空航天器件的缺陷、裂痕及腐蝕檢測和文物內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測及爆炸物的檢查等，發(fā)展此技術(shù)在國防安全、工業(yè)生產(chǎn)等方面具有重要意義。從理論上講各種能量的中子都可用于照相研究，按能量的不同可分為冷中子照相、熱中子照相和快中子照相。目前技術(shù)比較成熟、應(yīng)用最廣泛的是熱中子照相，這是因為熱中子與物質(zhì)的作用截面較大，探測效率較高，所需中子轉(zhuǎn)換屏較薄。同時基于反應(yīng)堆的熱中子源具有高準(zhǔn)直比(L/D)、高注量率等優(yōu)點，使得熱中子照相可達到μm量級的空間分辨能力和秒量級的照相速度。但由于熱中子的穿透力相對較小，無法穿透厚重樣品并獲得其內(nèi)部元素分布、缺陷、裂痕及腐蝕等重要信息。另外，反應(yīng)堆中子源的應(yīng)用靈活性較差，這是熱中子照相的缺點。

快中子由于其能量高、穿透能力強、中子源可做成移動設(shè)備而具有現(xiàn)場檢測的靈活性，為獲取厚重樣品的內(nèi)部信息提供了可能。國外的實驗表明，快中子照相在厚重樣品或大件樣品的現(xiàn)場檢測方面有較大的優(yōu)勢，這是熱中子照相所不具備的?？熘凶诱障嗑哂蟹浅４蟮膽?yīng)用空間與發(fā)展前景，特別是在核材料分析、反恐、海關(guān)安檢等領(lǐng)域。但快中子照相還存在一些技術(shù)瓶頸尚待突破，如空間分辨能力較差、探測效率低、檢測時間長、散射影響大等[1-5]。本文利用中國原子能科學(xué)研究院600 kV高壓倍加器d-T反應(yīng)產(chǎn)生的14 MeV快中子開展照相實驗，對提高快中子照相系統(tǒng)的空間分辨能力和信噪比進行研究，并通過理論計算進行驗證。

1 照相系統(tǒng)

1.1 快中子源

中國原子能科學(xué)研究院600 kV高壓倍加器可提供產(chǎn)額1×1011s-1的d-T中子，通過透鏡聚焦等方式，束斑尺寸可控制到5 mm以內(nèi)。d-T反應(yīng)產(chǎn)生的中子單色性好，是理想的透射照相用快中子源。由飛行時間法測得實驗主峰中子能量為14.65 MeV，中子能量分辨率為5%，中子源強度通過次級標(biāo)準(zhǔn)得出(使用經(jīng)伴隨α粒子法刻度的長中子計數(shù)器)，實驗時中子產(chǎn)額穩(wěn)定在2×109s-1，在探測器處的中子注量率約為5.5×103s-1·cm-2。

1.2 復(fù)合屏蔽準(zhǔn)直器

準(zhǔn)直器的設(shè)計對快中子照相系統(tǒng)的空間分辨能力、灰度靈敏度、照相速度有很大的影響。高壓倍加器實驗室經(jīng)改造升級后，增加1個實驗大廳，由厚2.5 m的混凝土墻體與加速器大廳相隔離，兩個輸出管道分別對應(yīng)兩個獨立的大廳。圖1為高壓倍加器裝置示意圖。倍加器主體和直、斜管道在同一個大廳；斜管道向墻體方向延伸，中子靶室在墻內(nèi)1 m處，墻體準(zhǔn)直器使中子源和照相系統(tǒng)分別位于加速器廳和實驗廳。此設(shè)計既可對中子束進行準(zhǔn)直，也能起到屏蔽和輻射防護的作用，其優(yōu)點是高信噪比和高準(zhǔn)直比，同時降低了環(huán)境散射中子對照相的影響，能提高快中子照相系統(tǒng)的空間分辨能力。

圖1 高壓倍加器裝置示意圖Fig.1 Scheme of Cockcroft-Walton generator

散射中子會影響照相質(zhì)量，主要包括環(huán)境散射中子和樣品散射中子。墻體復(fù)合屏蔽準(zhǔn)直器能降低散射本底，屏蔽墻體成分主要是混凝土，倍加器大廳本底較高，主要是多次散射后的5 MeV以下的中子，2.5 m厚混凝土屏蔽墻可屏蔽這些散射中子。在復(fù)合屏蔽準(zhǔn)直器最窄處直徑3 cm，準(zhǔn)直比好于50∶1，從內(nèi)向外依次為鐵、含硼聚乙烯和鉛等材料，其長度比約為3∶6∶1，目的是盡量降低準(zhǔn)直孔外區(qū)域中子數(shù)量及減少對中子照相系統(tǒng)的影響。計算結(jié)果表明，環(huán)境散射中子小于源中子的0.1%，表1列出了MCNP的計算結(jié)果。

表1 環(huán)境散射中子計算結(jié)果Table 1 Simulation result of scattering neutron

同時，樣品散射中子在倍加器中子直流束實驗?zāi)Ｊ较聼o法消除，根據(jù)計算結(jié)果，在轉(zhuǎn)換屏距樣品3 cm時，樣品散射中子大幅減少，約為緊貼時的30%，雖然增加距離可降低樣品散射中子，但是也會影響照相系統(tǒng)的空間分辨能力，綜合考慮，照相實驗中轉(zhuǎn)換屏距樣品為3 cm時較合適。

1.3 成像系統(tǒng)

中子轉(zhuǎn)換屏將入射中子轉(zhuǎn)換為可見光，照相實驗中選用的圣戈班BC400型塑料閃爍屏對能量較高的質(zhì)子單位能損光輸出接近線性，輸出峰值為波長423 nm的藍(lán)綠光，主要材料是氫和碳，氫碳比約為1.103∶1，對快中子的探測效率較高，適合作快中子照相。屏的幾何尺寸為200 mm×200 mm×10 mm，采用PTB的EFF程序計算，轉(zhuǎn)換屏對14 MeV中子的探測效率約為2.2%(甄別閾為2倍Cs的能量)。

成像系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)換屏、前鍍膜全反光鏡、鏡頭和CCD相機構(gòu)成，均放置在暗箱內(nèi)，暗箱內(nèi)、外表面均使用不反光的發(fā)黑材料。全反光鏡安置在與轉(zhuǎn)換屏45°角的方向上，使CCD相機偏離中子束流，避免由于中子直接打到CCD芯片而造成相機損害。采用Nikon 50 mm f/1.4型光學(xué)鏡頭，科學(xué)級CCD相機，其優(yōu)點是可長時間曝光、制冷好、暗電流噪聲低、量子效率高，工作溫度控制在-85 ℃，溫度浮動在±0.1 ℃內(nèi)，樣品放置于轉(zhuǎn)換屏前3 cm處，轉(zhuǎn)換屏距中子源靶頭170 cm?？熘凶诱障鄬嶒炇疽鈭D如圖2所示。

圖2 快中子照相實驗示意圖Fig.2 Scheme of fast neutron radiography experiment

實驗樣品有：長方體鉛磚、聚乙烯狹縫臺階板、鋁狹縫臺階板、鐵狹縫臺階板、鉛縫隙臺階板。

2 實驗及其結(jié)果

空間分辨能力是快中子照相系統(tǒng)重要的參數(shù)指標(biāo)[6-7]，本實驗通過厚刀口法、狹縫指示器法分別對該系統(tǒng)進行測試和驗證。為提高照相系統(tǒng)的空間分辨能力，對中子靶室進行優(yōu)化設(shè)計，將靶平面垂直于墻體，打到靶上的束斑直徑控制在5 mm，這樣從靠近中子轉(zhuǎn)換屏端看到的靶頭中子源是一個線狀中子源，其長度5 mm為靶上束斑直徑，寬度為氚鈦靶厚度，約為μm量級(由于加工和安裝的精度，可保證在mm量級以內(nèi))。

2.1 厚刀口法實驗

為檢驗設(shè)計的5 mm線中子源的成像效果，基于厚刀口法原理，用50 mm厚的長方體鉛磚擋住準(zhǔn)直器孔道的1/4面積進行照相，來檢測中子源束斑的大小，即檢測中子源的線狀長度是否對快中子照相系統(tǒng)有較大的影響。圖3為1/4厚刀口法實驗成像照片，圖4為實驗數(shù)據(jù)分析及擬合曲線。可看出，鉛磚的兩個垂直邊空間分辨有3～5個像素的差異，每個像素分辨是0.1 mm，總差異約為0.4 mm，這主要是由于優(yōu)化設(shè)計的5 mm線中子源的長度在170 cm遠(yuǎn)的距離上對中子照相系統(tǒng)空間分辨能力造成的影響。說明線中子源在點源方向上是可改善快中子照相系統(tǒng)的性能，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的線中子源是一個可行的、能提高快中子照相系統(tǒng)空間分辨能力的方法。

圖3 1/4厚刀口法實驗照片F(xiàn)ig.3 Experimental photo of 1/4 thick edge method

2.2 狹縫指示器法實驗

用狹縫指示器法分別對聚乙烯狹縫臺階板(板厚為5 mm，狹縫由寬到窄分別為3、3、2、2、1、1 mm)、鋁狹縫臺階板(板厚為5 mm，狹縫由寬到窄分別為3、3、2、2、1、1 mm)、鐵狹縫臺階板(狹縫由寬到窄分別是3、3、2、2、1、0.8 mm)及0.5 mm鉛縫隙臺階板進行實驗，樣品照片及實驗結(jié)果如圖5～8所示。結(jié)果表明，在一定的厚度內(nèi)，快中子照相系統(tǒng)對聚乙烯、鋁、鐵材料狹縫的空間分辨能力可達到1 mm以內(nèi)，對鉛材料狹縫的空間分辨能力達到0.5 mm，這與厚刀口法實驗得到的快中子照相系統(tǒng)空間分辨能力能達到0.35～0.45 mm相符合。

圖4 實驗數(shù)據(jù)分析及擬合曲線Fig.4 Analysis of experimental data and fitting curve

圖5 聚乙烯狹縫臺階板樣品圖片和實驗照片F(xiàn)ig.5 Polyethylene slit step plate sample image and experimental photo

圖6 鋁狹縫臺階板樣品圖片和實驗照片F(xiàn)ig.6 Aluminum slit step plate sample image and experimental photo

2.3 實驗數(shù)據(jù)分析和討論

本文結(jié)合中子源、照相時間、轉(zhuǎn)換屏和復(fù)合屏蔽準(zhǔn)直器系統(tǒng)等討論快中子照相質(zhì)量的影響因素。空間分辨能力是快中子照相的一項重要指標(biāo)，幾何因素對分辨能力的影響是因為非點源或非嚴(yán)格平行束引起的，實驗中不存在嚴(yán)格的點中子源或平行束源，由非點源(一般是面源)透射過樣品在轉(zhuǎn)換屏上成像后會有一條模糊的邊界寬度，這稱為幾何不銳度Ug=T/((L-T)/D)[8]，其中，D為中子源在一個方向的線度，L為探測器到中子源的距離，T為樣品到探測器的轉(zhuǎn)換體距離。此時橫向(線度1 mm時)幾何不銳度約為0.018 mm，徑向(線度5 mm時)幾何不銳度約為0.09 mm。厚刀口法的測量結(jié)果和估算一致，可明顯看到由線狀中子源在長方體鉛磚的垂直和水平方向所成像的幾何不銳度的差別，考慮到實驗中的探測器和復(fù)合屏蔽準(zhǔn)直器的平行度，該實驗數(shù)據(jù)誤差是可接受的。

圖7 鐵狹縫臺階板樣品圖片和實驗照片F(xiàn)ig.7 Iron slit step plate sample image and experimental photo

圖8 鉛縫隙臺階板樣品圖片和實驗照片F(xiàn)ig.8 Lead slot step plate sample image and experimental photo

轉(zhuǎn)換屏也是影響系統(tǒng)空間分辨能力的一個因素，主要包括：1) 入射中子產(chǎn)生的反沖質(zhì)子在轉(zhuǎn)換屏中的發(fā)光徑跡引起的不清晰度；2) 同一方向入射中子射線在屏內(nèi)不同點發(fā)光引起的不清晰度。上述兩方面對1 cm厚度的轉(zhuǎn)換屏產(chǎn)生約0.5 mm的不清晰度，這與實驗結(jié)果基本相符。

圖像的反差對比明顯時，才容易分辨，因此，需高灰階圖像，一般灰度分辨需達1%。按照反差靈敏度[8]的定義，不考慮散射影響時，實驗的灰度D=kφt，其中，k為系統(tǒng)線性系數(shù)，φ為注量率，t為輻照時間。根據(jù)實驗條件，k約為0.005 mm2、φ約為50 mm-2·s-1、D約為100～1 000，因此輻照時間應(yīng)為400～4 000 s，實驗一般選約0.5 h。為提高灰階延長測量時間或增強源強度是必要的。

3 結(jié)論

由實驗可知，建立的該套快中子照相系統(tǒng)空間分辨能力較好，采用狹縫指示器法進行照相實驗，對單一材料能分辨到mm量級的狹縫，與理論計算結(jié)果符合得很好。在保證高壓倍加器中子產(chǎn)額穩(wěn)定的情況下，通過對復(fù)合屏蔽準(zhǔn)直器和線中子源的優(yōu)化設(shè)計，提高了快中子照相系統(tǒng)的空間分辨能力。

感謝中國原子能科學(xué)研究院唐洪慶研究員和周祖英研究員對實驗的指導(dǎo)，感謝高壓倍加器組提供優(yōu)質(zhì)束流對快中子照相技術(shù)實驗研究的支持。

[1] MIKEROVA V I, ZHITNIKB I A, BARMAKOVA J N, et al. Prospects for efficient detectors for fast neutron imaging[J]. Applied Radiation and Isotopes, 2004, 61(4): 529-535.

[2] DANGENDORF V, LAUCK R, KAUFMANN F, et al. Time-resolved fast neutron imaging with a pulse counting image intensifier[C]∥International Workshop on Fast Neutron Detectors and Applications. South Africa: University of Cape Town, 2006.

[3] MOR I, VARTSKY D, BRANDISM, et al. Fast neutron imaging spectrometer based on liquid scintllator loaded capillaries[C]∥International Workshop on Fast Neutron Detectors and Applications. Rehovot, Israel: Weizmann Institute, 2011.

[4] YOSHIIA K, KOBAYASHIB H. Correction of fast neutron scattered components from fast neutron radiography images[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1996, 377(1): 76-79.

[5] AMBROSI R M, WATTERSON J I. Factors affecting image formation in accelerator-based fast neutron radiography[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 1998, 139(1-4): 279-285.

[6] 裴宇陽，鄒宇斌，郭之虞，等.9Be(d,n)加速器中子源中子照相的研究[J]. 核技術(shù)，2007，30(4)：265-269.

PEI Yuyang, ZOU Yubin, GUO Zhiyu, et al. Study of neutron radiography on the accelerator neutron source9Be(d, n)[J]. Nuclear Techniques, 2007, 30(4): 265-269(in Chinese).

[7] 唐彬，周長庚，霍合勇，等. 14 MeV快中子數(shù)字照相初步實驗研究[J]. 中國科學(xué)，2009，39：1 090-1 096.

TANG Bin, ZHOU Changgeng, HUO Heyong, et al. Preliminary experimental research of 14 MeV fast neutron radiography[J]. China Science, 2009, 39: 1 090-1 096(in Chinese).

[8] 貊大衛(wèi)，劉以思，金光宇，等. 中子照相[M]. 北京：原子能出版社，1996：63-67.

Experimental Study of Fast Neutron Radiography Based on Cockcroft-Walton Generator

ZHENG Xiao-hai, NIE Yang-bo, RUAN Xi-chao, BAO Jie, HOU Long

(ScienceandTechnologyonNuclearDataLaboratory,ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China)

The performance test on the newly created fast neutron radiography system was described in this paper. And the experimental study of 14 MeV fast neutron radiography system based on d-T linear neutron source with highL/Dratio collimator was performed on Cockcroft-Walton generator in China Institute of Atomic Energy. The position resolutions of the fast neutron radiography system to polythylene, aluminum, iron and lead were investigated with the thick edge method and the indicator method, and the results of the two methods are in coindence. The results indicate that the spatial resolution of the system is better than 1 mm to a single material, and this is in accordance with the theoretical calculation and analysis.

fast neutron radiography; neutron source; spatial resolution

2014-02-18;

2014-05-13

鄭小海(1974—)，男，陜西西安人，工程師，博士研究生，原子核物理及粒子物理專業(yè)

O571.43

A

1000-6931(2015)06-1117-05

10.7538/yzk.2015.49.06.1117