基于高压倍加器的快中子照相技术研究

郑小海，聂阳波，阮锡超，鲍 杰，侯 龙

(中国原子能科学研究院 核数据重点实验室，北京 102413)



基于高压倍加器的快中子照相技术研究

郑小海，聂阳波，阮锡超，鲍 杰，侯 龙

(中国原子能科学研究院 核数据重点实验室，北京 102413)

本文详述了所建立快中子照相系统的性能和实验测试。依托中国原子能科学研究院的600 kV高压倍加器，设计加工了线中子源和高L/D复合屏蔽准直器，开展了14 MeV快中子照相系统对聚乙烯、铝、铁和铅材料的空间分辨能力的实验研究。实验中分别采用了厚刀口法和狭缝指示器法，两种方法得到的实验数据相符合。研究结果表明，该快中子照相系统对单一材料能达到优于1 mm的空间分辨能力，与理论计算结果相一致。

快中子照相；中子源；空间分辨

中子照相是一种优良的无损检测方法，可用于检测复合材料中各种元素的分布，也可用于航空航天器件的缺陷、裂痕及腐蚀检测和文物内部结构探测及爆炸物的检查等，发展此技术在国防安全、工业生产等方面具有重要意义。从理论上讲各种能量的中子都可用于照相研究，按能量的不同可分为冷中子照相、热中子照相和快中子照相。目前技术比较成熟、应用最广泛的是热中子照相，这是因为热中子与物质的作用截面较大，探测效率较高，所需中子转换屏较薄。同时基于反应堆的热中子源具有高准直比(L/D)、高注量率等优点，使得热中子照相可达到μm量级的空间分辨能力和秒量级的照相速度。但由于热中子的穿透力相对较小，无法穿透厚重样品并获得其内部元素分布、缺陷、裂痕及腐蚀等重要信息。另外，反应堆中子源的应用灵活性较差，这是热中子照相的缺点。

快中子由于其能量高、穿透能力强、中子源可做成移动设备而具有现场检测的灵活性，为获取厚重样品的内部信息提供了可能。国外的实验表明，快中子照相在厚重样品或大件样品的现场检测方面有较大的优势，这是热中子照相所不具备的。快中子照相具有非常大的应用空间与发展前景，特别是在核材料分析、反恐、海关安检等领域。但快中子照相还存在一些技术瓶颈尚待突破，如空间分辨能力较差、探测效率低、检测时间长、散射影响大等[1-5]。本文利用中国原子能科学研究院600 kV高压倍加器d-T反应产生的14 MeV快中子开展照相实验，对提高快中子照相系统的空间分辨能力和信噪比进行研究，并通过理论计算进行验证。

1 照相系统

1.1 快中子源

中国原子能科学研究院600 kV高压倍加器可提供产额1×1011s-1的d-T中子，通过透镜聚焦等方式，束斑尺寸可控制到5 mm以内。d-T反应产生的中子单色性好，是理想的透射照相用快中子源。由飞行时间法测得实验主峰中子能量为14.65 MeV，中子能量分辨率为5%，中子源强度通过次级标准得出(使用经伴随α粒子法刻度的长中子计数器)，实验时中子产额稳定在2×109s-1，在探测器处的中子注量率约为5.5×103s-1·cm-2。

1.2 复合屏蔽准直器

准直器的设计对快中子照相系统的空间分辨能力、灰度灵敏度、照相速度有很大的影响。高压倍加器实验室经改造升级后，增加1个实验大厅，由厚2.5 m的混凝土墙体与加速器大厅相隔离，两个输出管道分别对应两个独立的大厅。图1为高压倍加器装置示意图。倍加器主体和直、斜管道在同一个大厅；斜管道向墙体方向延伸，中子靶室在墙内1 m处，墙体准直器使中子源和照相系统分别位于加速器厅和实验厅。此设计既可对中子束进行准直，也能起到屏蔽和辐射防护的作用，其优点是高信噪比和高准直比，同时降低了环境散射中子对照相的影响，能提高快中子照相系统的空间分辨能力。

图1 高压倍加器装置示意图Fig.1 Scheme of Cockcroft-Walton generator

散射中子会影响照相质量，主要包括环境散射中子和样品散射中子。墙体复合屏蔽准直器能降低散射本底，屏蔽墙体成分主要是混凝土，倍加器大厅本底较高，主要是多次散射后的5 MeV以下的中子，2.5 m厚混凝土屏蔽墙可屏蔽这些散射中子。在复合屏蔽准直器最窄处直径3 cm，准直比好于50∶1，从内向外依次为铁、含硼聚乙烯和铅等材料，其长度比约为3∶6∶1，目的是尽量降低准直孔外区域中子数量及减少对中子照相系统的影响。计算结果表明，环境散射中子小于源中子的0.1%，表1列出了MCNP的计算结果。

表1 环境散射中子计算结果Table 1 Simulation result of scattering neutron

同时，样品散射中子在倍加器中子直流束实验模式下无法消除，根据计算结果，在转换屏距样品3 cm时，样品散射中子大幅减少，约为紧贴时的30%，虽然增加距离可降低样品散射中子，但是也会影响照相系统的空间分辨能力，综合考虑，照相实验中转换屏距样品为3 cm时较合适。

1.3 成像系统

中子转换屏将入射中子转换为可见光，照相实验中选用的圣戈班BC400型塑料闪烁屏对能量较高的质子单位能损光输出接近线性，输出峰值为波长423 nm的蓝绿光，主要材料是氢和碳，氢碳比约为1.103∶1，对快中子的探测效率较高，适合作快中子照相。屏的几何尺寸为200 mm×200 mm×10 mm，采用PTB的EFF程序计算，转换屏对14 MeV中子的探测效率约为2.2%(甄别阈为2倍Cs的能量)。

成像系统主要由转换屏、前镀膜全反光镜、镜头和CCD相机构成，均放置在暗箱内，暗箱内、外表面均使用不反光的发黑材料。全反光镜安置在与转换屏45°角的方向上，使CCD相机偏离中子束流，避免由于中子直接打到CCD芯片而造成相机损害。采用Nikon 50 mm f/1.4型光学镜头，科学级CCD相机，其优点是可长时间曝光、制冷好、暗电流噪声低、量子效率高，工作温度控制在-85 ℃，温度浮动在±0.1 ℃内，样品放置于转换屏前3 cm处，转换屏距中子源靶头170 cm。快中子照相实验示意图如图2所示。

图2 快中子照相实验示意图Fig.2 Scheme of fast neutron radiography experiment

实验样品有：长方体铅砖、聚乙烯狭缝台阶板、铝狭缝台阶板、铁狭缝台阶板、铅缝隙台阶板。

2 实验及其结果

空间分辨能力是快中子照相系统重要的参数指标[6-7]，本实验通过厚刀口法、狭缝指示器法分别对该系统进行测试和验证。为提高照相系统的空间分辨能力，对中子靶室进行优化设计，将靶平面垂直于墙体，打到靶上的束斑直径控制在5 mm，这样从靠近中子转换屏端看到的靶头中子源是一个线状中子源，其长度5 mm为靶上束斑直径，宽度为氚钛靶厚度，约为μm量级(由于加工和安装的精度，可保证在mm量级以内)。

2.1 厚刀口法实验

为检验设计的5 mm线中子源的成像效果，基于厚刀口法原理，用50 mm厚的长方体铅砖挡住准直器孔道的1/4面积进行照相，来检测中子源束斑的大小，即检测中子源的线状长度是否对快中子照相系统有较大的影响。图3为1/4厚刀口法实验成像照片，图4为实验数据分析及拟合曲线。可看出，铅砖的两个垂直边空间分辨有3～5个像素的差异，每个像素分辨是0.1 mm，总差异约为0.4 mm，这主要是由于优化设计的5 mm线中子源的长度在170 cm远的距离上对中子照相系统空间分辨能力造成的影响。说明线中子源在点源方向上是可改善快中子照相系统的性能，经过优化设计的线中子源是一个可行的、能提高快中子照相系统空间分辨能力的方法。

图3 1/4厚刀口法实验照片Fig.3 Experimental photo of 1/4 thick edge method

2.2 狭缝指示器法实验

用狭缝指示器法分别对聚乙烯狭缝台阶板(板厚为5 mm，狭缝由宽到窄分别为3、3、2、2、1、1 mm)、铝狭缝台阶板(板厚为5 mm，狭缝由宽到窄分别为3、3、2、2、1、1 mm)、铁狭缝台阶板(狭缝由宽到窄分别是3、3、2、2、1、0.8 mm)及0.5 mm铅缝隙台阶板进行实验，样品照片及实验结果如图5～8所示。结果表明，在一定的厚度内，快中子照相系统对聚乙烯、铝、铁材料狭缝的空间分辨能力可达到1 mm以内，对铅材料狭缝的空间分辨能力达到0.5 mm，这与厚刀口法实验得到的快中子照相系统空间分辨能力能达到0.35～0.45 mm相符合。

图4 实验数据分析及拟合曲线Fig.4 Analysis of experimental data and fitting curve

图5 聚乙烯狭缝台阶板样品图片和实验照片Fig.5 Polyethylene slit step plate sample image and experimental photo

图6 铝狭缝台阶板样品图片和实验照片Fig.6 Aluminum slit step plate sample image and experimental photo

2.3 实验数据分析和讨论

本文结合中子源、照相时间、转换屏和复合屏蔽准直器系统等讨论快中子照相质量的影响因素。空间分辨能力是快中子照相的一项重要指标，几何因素对分辨能力的影响是因为非点源或非严格平行束引起的，实验中不存在严格的点中子源或平行束源，由非点源(一般是面源)透射过样品在转换屏上成像后会有一条模糊的边界宽度，这称为几何不锐度Ug=T/((L-T)/D)[8]，其中，D为中子源在一个方向的线度，L为探测器到中子源的距离，T为样品到探测器的转换体距离。此时横向(线度1 mm时)几何不锐度约为0.018 mm，径向(线度5 mm时)几何不锐度约为0.09 mm。厚刀口法的测量结果和估算一致，可明显看到由线状中子源在长方体铅砖的垂直和水平方向所成像的几何不锐度的差别，考虑到实验中的探测器和复合屏蔽准直器的平行度，该实验数据误差是可接受的。

图7 铁狭缝台阶板样品图片和实验照片Fig.7 Iron slit step plate sample image and experimental photo

图8 铅缝隙台阶板样品图片和实验照片Fig.8 Lead slot step plate sample image and experimental photo

转换屏也是影响系统空间分辨能力的一个因素，主要包括：1) 入射中子产生的反冲质子在转换屏中的发光径迹引起的不清晰度；2) 同一方向入射中子射线在屏内不同点发光引起的不清晰度。上述两方面对1 cm厚度的转换屏产生约0.5 mm的不清晰度，这与实验结果基本相符。

图像的反差对比明显时，才容易分辨，因此，需高灰阶图像，一般灰度分辨需达1%。按照反差灵敏度[8]的定义，不考虑散射影响时，实验的灰度D=kφt，其中，k为系统线性系数，φ为注量率，t为辐照时间。根据实验条件，k约为0.005 mm2、φ约为50 mm-2·s-1、D约为100～1 000，因此辐照时间应为400～4 000 s，实验一般选约0.5 h。为提高灰阶延长测量时间或增强源强度是必要的。

3 结论

由实验可知，建立的该套快中子照相系统空间分辨能力较好，采用狭缝指示器法进行照相实验，对单一材料能分辨到mm量级的狭缝，与理论计算结果符合得很好。在保证高压倍加器中子产额稳定的情况下，通过对复合屏蔽准直器和线中子源的优化设计，提高了快中子照相系统的空间分辨能力。

感谢中国原子能科学研究院唐洪庆研究员和周祖英研究员对实验的指导，感谢高压倍加器组提供优质束流对快中子照相技术实验研究的支持。

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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

郑小海(1974—)，男，陕西西安人，工程师，博士研究生，原子核物理及粒子物理专业

O571.43

A

1000-6931(2015)06-1117-05

10.7538/yzk.2015.49.06.1117