14 MeV快中子照相用光纖轉(zhuǎn)換屏研究

吳 洋，霍合勇，李 航，王 勝，曹 超，孫 勇，尹 偉，劉 斌，唐 彬,*

(1.中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所，四川 綿陽 621900；2.中國工程物理研究院 中子物理學(xué)重點實驗室，四川 綿陽 621900)

快中子(能量超過10 MeV以上的中子)較熱中子和冷中子具有更高的能量和穿透能力，因此快中子照相技術(shù)在厚重樣品或熱中子強吸收材料(如U材料)方面彌補了冷中子、熱中子照相技術(shù)和其他射線照相技術(shù)的不足，具有很大的發(fā)展?jié)摿洼^好的應(yīng)用空間[1-8]，但快中子照相技術(shù)與相對成熟的熱中子照相技術(shù)相比，由于快中子探測效率低、散射影響大以及對某些材料屬性的影響大等難題，具有很高的技術(shù)難度，是目前中子照相領(lǐng)域研究的重點和難點。

中子探測技術(shù)是快中子照相的關(guān)鍵技術(shù)。極低的探測效率(1%以下)一直是制約快中子照相技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題，2005年美國的研究人員通過微通道板作為探測器開展了快中子照相實驗[8]，將探測效率提升到5%左右，但該方法由于成本高昂、探測面積小(cm級)等問題，迄今也僅處于探索階段，基本不具備工程化應(yīng)用的價值。有學(xué)者采用氣體探測器和塑料閃爍體耦合光電倍增管開展過相關(guān)研究，但都因種種原因效果欠佳，也沒有后續(xù)進展的報道。目前主流的快中子照相系統(tǒng)多采用中子-可見光轉(zhuǎn)換屏通過光學(xué)透鏡組耦合科學(xué)級CCD或CMOS相機，該類系統(tǒng)具有探測視場大、部件成熟度高、成本相對低廉等優(yōu)勢。轉(zhuǎn)換屏的主要作用是將中子轉(zhuǎn)換為可見光而被探測系統(tǒng)接收成像，其性能對成像效果的影響很大。目前可用于快中子照相的轉(zhuǎn)換屏有混壓熒光屏、塑料閃爍體、光纖陣列等，基本原理均通過中子轟擊轉(zhuǎn)換屏內(nèi)氫元素產(chǎn)生反沖質(zhì)子后激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光而實現(xiàn)對快中子的探測，因此屏內(nèi)的材料含氫量、熒光物質(zhì)光激發(fā)特性、屏結(jié)構(gòu)等對轉(zhuǎn)換屏綜合性能的影響很大。光纖轉(zhuǎn)換屏作為近年才出現(xiàn)的新型轉(zhuǎn)換屏，結(jié)合了熒光屏的高成像質(zhì)量和塑料閃爍體的高探測效率，有望在較大程度上提升快中子照相水平，具有很好的發(fā)展前景。

移波光纖轉(zhuǎn)換屏是近年提出的一種新型快中子照相用轉(zhuǎn)換屏，2003年，日本Matsubayashi等[9]首次提出將光纖盒熒光屏結(jié)合作為轉(zhuǎn)換屏的思路，卻一直未見后續(xù)報道，2009年，北京大學(xué)開展了相關(guān)技術(shù)的初步研究，取得了光纖轉(zhuǎn)換屏耦合CCD相機的快中子照相圖像[10]，但此研究工作主要針對采用該模式進行快中子照相的可行性研究，對于光纖轉(zhuǎn)換屏本身特性的研究基本未開展。作為一種極具發(fā)展?jié)摿Φ霓D(zhuǎn)換屏技術(shù)，光纖轉(zhuǎn)換屏目前的研究工作開展尚不充分，亟待進一步的研究。本文以D-T加速器為中子源，用ZnS和環(huán)氧樹脂以及光纖研制快中子照相光纖轉(zhuǎn)換屏，耦合科學(xué)級CCD數(shù)字成像系統(tǒng)，進行快中子數(shù)字照相技術(shù)研究，進行試制光纖轉(zhuǎn)換屏和熒光屏性能、成像質(zhì)量的實驗分析。

1 快中子照相轉(zhuǎn)換屏的分類

轉(zhuǎn)換屏對成像效率和質(zhì)量有決定性影響，因此轉(zhuǎn)換屏技術(shù)研究多年來一直是快中子照相技術(shù)研究的重點內(nèi)容，可用于快中子照相的轉(zhuǎn)換屏有混壓熒光屏(polyethylene-ZnS converter, PZC)、塑料閃爍體(plastic scintillator, PS)、光纖陣列(fiber matrix, FM)和光纖轉(zhuǎn)換屏(optical fiber conversion screen, OFCS)等，除塑料閃爍體外，其他3類均無標(biāo)準產(chǎn)品，塑料閃爍體并非專為快中子照相研發(fā)，一般快中子照相系統(tǒng)中采用的塑料閃爍體厚度多在cm量級以上，其體發(fā)光特性導(dǎo)致像擴散嚴重，在超高準直比條件下成像空間分辨率僅約2 mm，且塑料閃爍體本身對伽馬射線敏感，故本底伽馬噪聲嚴重，因此塑料閃爍體并不是一種理想的快中子照相用轉(zhuǎn)換屏。光纖陣列是由塑料閃爍體光纖粘合拼接而成的立方體結(jié)構(gòu)，故也存在伽馬本底高的特性，同時制造成本遠高于塑料閃爍體，另外光纖之間的光子串?dāng)_噪聲和光纖邊界偽影難以消除的問題也會較大程度影響成像質(zhì)量。由富氫材料(聚乙烯、聚丙烯、環(huán)氧樹脂等)與熒光材料(多為ZnS(Ag)或Gd2S2O熒光材料)組成的混壓轉(zhuǎn)換屏一般采用物理加熱混合均勻后，壓制成熒光轉(zhuǎn)換屏，添加70%左右的ZnS粉、增韌劑和偶聯(lián)劑，混合均勻后熱壓或冷壓成型?；靿簾晒馄翞槊姘l(fā)光，因此具有分辨率高、成像效果好的特點，現(xiàn)階段成像分辨率可達0.5 mm左右，另外其采用ZnS作光激活劑，對伽馬不敏感，可有效降低伽馬本底噪聲干擾，但因混壓熒光屏自身不透明，對內(nèi)部產(chǎn)生光子自吸收現(xiàn)象嚴重，所以該類轉(zhuǎn)換屏的厚度均在mm量級，導(dǎo)致其探測效率不高，僅為其他類別轉(zhuǎn)換屏的幾分之一。光纖轉(zhuǎn)換屏是基于混壓熒光屏發(fā)展而來，其通過在混壓熒光屏內(nèi)植入光纖而使反沖質(zhì)子激發(fā)ZnS產(chǎn)生可見光經(jīng)轉(zhuǎn)換屏內(nèi)的光纖導(dǎo)出，這在較大程度上克服了混壓熒光屏對光的自吸收，故光纖轉(zhuǎn)換屏的厚度可增至幾cm，很大程度上提升了其探測效率，經(jīng)測試此轉(zhuǎn)換屏在厚度相同的情況下，發(fā)光效率甚至高于塑料閃爍體，另外光纖轉(zhuǎn)換屏內(nèi)部光纖由不透明基材隔離，較大程度解決了光子串?dāng)_問題。

2 光纖轉(zhuǎn)換屏的工作原理及光纖排列方式分析

光纖轉(zhuǎn)換屏的工作原理為：中子和屏內(nèi)的含氫材料發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生反沖質(zhì)子激發(fā)ZnS發(fā)光，產(chǎn)生的可見光經(jīng)屏內(nèi)的移波光纖導(dǎo)出，在較大程度上避免了屏對光的自吸收，在這種情況下熒光屏的厚度可增至幾cm，故移波光纖轉(zhuǎn)換屏既有較高的探測效率又可獲取較好的成像質(zhì)量[9]。影響光纖轉(zhuǎn)換屏探測效率和成像質(zhì)量的參數(shù)有閃爍材料的發(fā)光效率，熒光粉的發(fā)光光譜與移波光纖的吸收光譜的耦合程度，光纖的直徑、間距、排列方式等。

光纖在熒光屏內(nèi)可呈正位排列和錯位排列，其中正位排列即光纖排列為正方形，而錯位排列即光纖排列為正三角形。中子轟擊光纖轉(zhuǎn)換屏后起始發(fā)光點在熒光粉內(nèi)，發(fā)光點發(fā)出的光在周邊介質(zhì)內(nèi)基本呈指數(shù)衰減，可近似認為傳入光纖轉(zhuǎn)換屏內(nèi)的光纖的熒光大部分來自其鄰近區(qū)域，因此光纖密度決定了光纖轉(zhuǎn)換屏的光輸出效率，正三角形排列的光纖密度約為正方形排列的1.15倍，在制備加工難度相仿的情況下，光纖排布方式應(yīng)首選錯位排列。

3 光纖轉(zhuǎn)換屏快中子照相實驗

光纖轉(zhuǎn)換屏快中子照相實驗基于中國工程物理研究院加速器中子源進行，實驗裝置布局示于圖1。中子源通過氘氚反應(yīng)產(chǎn)生14 MeV快中子，中子源靶點尺寸為15 mm，產(chǎn)額為5×1010s-1，中子到達轉(zhuǎn)換屏被轉(zhuǎn)換為可見光信號，CCD相機將光學(xué)圖像信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號，傳送給圖像采集處理分析系統(tǒng)，后者對采集的圖像進行處理分析和判讀。

圖1 快中子照相裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of fast neutron radiography system

實驗對塑料閃爍體、光纖陣列、采用聚丙烯和ZnS熒光粉混合壓制熒光屏和光纖轉(zhuǎn)換屏的探測效率進行了測試。實驗中中子源與光纖轉(zhuǎn)換屏的距離為37 cm，單幅曝光時間為5 min。

實驗結(jié)果見圖2和表1。因為測試的各類轉(zhuǎn)換屏厚度不同，而厚度又與其探測效率正相關(guān)，為全面分析各類轉(zhuǎn)換屏的探測效率，本文又對其單位厚度探測效率進行了計算，即表1中的歸一到1 mm探測效率，結(jié)果表明錯排光纖的探測效率較正排光纖高20%，另外兩種光纖轉(zhuǎn)換屏的探測效率均高于壓制熒光屏40%以上，均低于2 cm厚的塑料閃爍體，但對單位厚度轉(zhuǎn)換屏而言，3 mm厚的聚丙烯和ZnS熒光粉混合壓制熒光屏最高，而10 cm厚的光纖陣列最低。

a——PZC(經(jīng)灰度拉伸)；b——正排OFCS；c——錯排OFCS；d——PS；e——FM圖2 不同轉(zhuǎn)換屏成像結(jié)果Fig.2 Imaging result of different converters

表1 各種轉(zhuǎn)換屏探測效率對比Table 1 Efficiency of different converters

然后測試光纖轉(zhuǎn)換屏和壓制熒光屏以及塑料閃爍體的分辨率。實驗中采用分辨率較好的1 mm厚壓制熒光屏、2 cm厚ST401塑料閃爍體和1 cm厚光纖轉(zhuǎn)換屏，光纖轉(zhuǎn)換屏的光纖間距1 mm，光纖直徑0.5 mm，采用國產(chǎn)光纖制備，基材成分為富氫材料與熒光粉重量比1∶1。

實驗測試樣品(圖3)為開有不同寬度對縫的鐵樣品。鐵樣品厚度40 mm，樣品內(nèi)線對寬度為0.5～5 mm不等。

圖3 鐵樣品實物圖Fig.3 Photography of iron sample

實驗結(jié)果如圖4所示。實驗中源-屏距為137 cm，樣品與轉(zhuǎn)換屏緊貼，光纖轉(zhuǎn)換屏成像參數(shù)為3 min×12次，PZC成像參數(shù)為5 min×12次，ST401成像參數(shù)為1 min×12次。成像結(jié)果表明，除2 cm厚ST401外，1 cm厚光纖屏和1 mm厚壓制熒光屏均可分辨樣品上1 mm的線對；成像結(jié)果灰度曲線表明，采用混壓熒光屏獲取的線對圖像，其對比度高于采用光纖屏獲取的線對圖像，說明該屏在極限分辨率上要優(yōu)于光纖屏的；ST401為體發(fā)光，其分辨率低，同時由于成像時間較短和閃爍體對伽馬射線非常敏感，相對噪聲也高于其他兩種屏。

a——成像結(jié)果；b——黑線處灰度曲線 圖4 鐵樣品成像結(jié)果Fig.4 Imaging result of iron sample with slot

4 結(jié)論

1) 光纖轉(zhuǎn)換屏內(nèi)部光纖的植入方式對其探測效率影響較大，錯排光纖較正排光纖效率提升約20%。

2) 因測試用的塑料閃爍體厚度較光纖轉(zhuǎn)換屏大1倍，其測試效率雖較光纖轉(zhuǎn)換屏的高，但歸一到相同厚度后其絕對效率低于光纖轉(zhuǎn)換屏的，而壓制熒光屏厚度超過3 mm后因自吸收效應(yīng)其探測效率會下降，故各類轉(zhuǎn)換屏中光纖轉(zhuǎn)換屏效率最高，塑料閃爍體次之，壓制熒光屏最低。

3) 壓制熒光屏在中子束流準直比相同的情況下分辨率最高(優(yōu)于1 mm)，光纖轉(zhuǎn)換屏次之，塑料閃爍體最差。

4) 理論上增大光纖轉(zhuǎn)換屏厚度可進一步提升其效率，該類轉(zhuǎn)換屏在分辨率和效率兩方面達到了較好的平衡，壓制熒光屏可用于對分辨率要求較高的快中子照相場景，而塑料閃爍體僅適用于強中子源、大準直比條件下的快中子照相，且其對伽馬射線的高敏感性會對成像質(zhì)量有較大影響。