热中子透射成像转换屏物理设计研究

刘兴宇 于筱雪 李航洲 彭锦秋 杨旭 吴康 白晓厚 王俊润,2 邓志勇, 吴璐 高艮涛 万国荣 刘莉 何鹏 张芸 张宇,2 姚泽恩,2 韦峥,2

1（兰州大学 核科学与技术学院 兰州 730000）

2（兰州大学 中子应用技术教育部工程研究中心 兰州 730000）

3（中国核动力研究设计院 成都 610213）

热中子成像作为一种重要的无损检测（Non-Destructive Testing，NDT）技术，是X射线成像技术的重要补充。X射线主要发生电磁相互作用，其质量衰减系数随材料原子序数增大而平滑上升，因此，X射线成像更适用于高原子序数材料检测；而中子不受核外电子影响直接与原子核发生相互作用，因此，热中子成像可用于检测金属材料包裹的氢材料，如金属外壳内的含氢材料等［1］。由于热中子吸收截面远大于快中子，且质量衰减系数随原子序数变化的排列更为分散，热中子成像技术在航天、航空、军工及其他众多领域中得到广泛应用，如航天火工品的缺陷检查［2］、飞机涡轮叶片检测［3-4］、石油工业储集层裂缝探测［5］、核工业中燃料棒的燃耗及内部燃料状况检测等［6-7］。

由于中子呈电中性，中子难以直接使胶片感光或被电耦合元件（Charge Coupled Device，CCD）记录［8］，因此，中子像转换屏成为探测透射中子二维空间分布的关键部件。中子转换屏分为瞬时屏与活化屏，其中瞬时屏又可分为金属屏与发光屏［9］。热中子透射直接成像技术采用瞬时发光屏，其作用机理是将难以直接检测的中子转换为X射线、γ射线及可见光子等可以被胶片或CCD相机记录的粒子。理想的热中子像转换屏材料应具有热中子反应截面大、γ射线灵敏度低以及光转换效率高等特点，其中，3He和6Li具有相对较大的热中子反应截面，与中子发生核反应后放出带电粒子［10］，且不会产生次级γ射线。相较于3He材料，6Li虽然中子吸收反应截面偏低，但它更容易与闪烁体材料相结合，用于制备热中子测量的闪烁体材料，广泛使用的基于6Li的热中子探测材料包括锂玻璃、LiF(ZnS)、LiF（GOS）［11］等。

热中子与含6Li闪烁体材料相互作用，发生6Li（n，α）3H反应产生带电粒子，带电粒子沉积能量而激发ZnS、Gd2O2S等发光材料发光，光波波长为450~600 nm范围，能够直接被CCD相机记录。当一个中子被吸收时，形成以相互作用处为中心的发光点。发光点发出的光向输出面传输，传输过程中其光强按距离平方反比的规律减弱，同时又要受到屏材料本身的吸收而衰减［12］。因此，热中子透射成像转换屏物理设计着重考虑二维空间位置分辨率［13］和中子-光子转换效率［14-15］。

本论文基于LiF（ZnS）和LiF（GOS）热中子像转化屏，采用Monte Carlo程序模拟热中子透射成像的物理过程，利用线扩散函数（Line Spread Function，LSF）计算空间位置分辨率，评价给出了热中子像转化屏厚度与空间位置分辨率、中子-光子转换效率的关系，为热中子透射成像系统的研发准备了条件。

1 热中子透射成像系统模拟模型

兰州大学已完成了紧凑型D-D中子发生器的研制工作［16］，紧凑型D-D加速器中子源具有中子产额高（6.8×108n·s-1）、辐射安全性能好、寿命足够长、可控等特点，是一种替代辐射安全性能差的同位素中子源的理想可控中子源。本工作基于兰州大学研发的紧凑型D-D中子发生器开展热中子透射成像系统的研制工作［17］。紧凑型D-D中子源提供外源中子，设计合理的中子慢化准直系统将2.45 MeV的D-D快中子慢化为热中子，被检测样品位置处的热中子注量率可大于2.4×103n·(cm2·s)-1，准直中子束中热中子占比可大于74%，在∅70 mm的照射视野范围内，热中子注量的不均匀度约为7.3%，基本满足热中子照相的成像要求。

热中子透射成像系统总体结构可分为中子源、被测样品、热中子像转换屏以及光学成像系统4个部分，具体布局如图1所示。中子源选用均匀分布的平行热中子束，最大程度地降低准直器散射中子对像转换屏空间位置分辨率带来的影响；样品放置平面与转换屏平行，平行中子束穿过待测样品后得到透射中子束，与转换屏作用转换为光子。利用45°反射镜将CCD相机与中子束成90°安装，以防止CCD相机受到中子束直射。此外，在CCD相机前面应放置光学镜头组合对其聚焦，提高可见光的收集效率。

图1 热中子透射成像系统结构示意图Fig.1 Structure diagram of thermal neutron transmission imaging system

本工作拟选用滨松公司生产的ORCA-Flash4.0 V3型号CCD相机［18］，其成像区域可达2 048×2 048，单个像素尺寸为6.5 μm×6.5 μm，且光转换效率在波长为530~600 nm范围内可达到80%以上［15］。

在Geant4模拟模型中，热中子透射成像系统采用等效光路，如图1所示，虚线CCD相机位置处放置8 cm×8 cm的平面探测器（Bin：4 000×4 000，像素宽度：20 μm），收集不同位置处的光子，根据计数的二维分布，得到热中子透射成像的图像。由于模拟透射图像的空间分辨率同时受到平面单侧器像素宽度和像转换屏空间分辨率限制，所以平面探测器的像素宽度必须小于转换屏的最小空间分辨率。为符合实验所用CCD相机的要求，设定被探测的转化光子波长范围为450~700 nm，在此范围内CCD相机光转换效率可达到60%以上。

1.1 像指示器模拟模型

本工作以瑞士保罗谢勒研究所（Paul Scherrer Institute，PSI）提出的基于钆材料的热中子照相像指示器Siemens star为标准像指示器［16］在Geant4程序中建立模型，如图2所示。Siemens star像指示器主体上由厚度为7 μm、外径为60 mm的钆（Gd）板构成，板上镂空36个从中心向外宽度由窄变宽的狭缝（辐条），从中心向外镂空狭缝宽度从10 μm变化到1 000 μm变化；在狭缝（辐条）宽度为50 μm、100 μm、200 μm、300 μm、500 μm和800 μm的位置上镂空6个圆环狭缝，从中心向外，6个圆环狭缝的宽度分别为100 μm、200 μm、400 μm、600 μm、1 000 μm、1 600 μm。

图2 Siemens star热中子像指示器模型示意图Fig.2 Diagram of Siemens star indicator model for thermal neutron imaging

1.2 像转化屏模拟模型

在选择成像系统中所用转换屏的过程中，考虑到转换屏工作原理，以及γ射线对热中子成像的干扰，理想的热中子转换屏应具有热中子反应截面大、γ射线灵敏度低以及光转换效率高等特点［19］。本工作选用LiF（ZnS）和LiF（GOS）热中子像转化屏，将LiF作为吸收材料（6Li丰度为95%），ZnS和Gd2O2S作为发光材料。根据Kardjilov等［20-21］的工作，LiF与ZnS、LiF与Gd2O2S的混合比分别设置为1∶2和1∶4。其中，Gd2O2S材料中Gd原子序数较大，对带电粒子的阻止本领较高，能够有效地吸收粒子能量转化为光子［22］，同时，Gd2O2S对γ具有较好的自屏蔽效果。此外，Gd具有很高的热中子吸收截面，Gd2O2S材料可以吸收未反应的热中子和散射热中子，提高空间位置分辨率。

在Geant4程序中，分别建立LiF（ZnS）和LiF（GOS）热中子成像转换屏模拟模型，像转化屏直径为70 mm，厚度分别为5 μm、10 μm、20 μm、30 μm、40 μm、50 μm、60 μm、70 μm、80 μm、90 μm、100 μm。透射样品的热中子与含6Li闪烁体材料相互作用，发生6Li（n，α）3H反应产生带电粒子，带电粒子沉积能量而激发ZnS、Gd2O2S等发光材料发光，收集不同位置处的光子，根据计数的二维分布，得到热中子透射成像的图像。

转换屏厚度是转换屏设计的重要参数，也是影响转换屏空间分辨率及光子转换效率的重要因素。若转换屏厚度太薄，会导致中子-光子转化率过低，热中子透射成像时间过长，很难再用CCD相机曝光；如果转换屏厚度太厚，转换光子会因屏材料的自吸收而衰减，同时，在光子输运过程中，由于散射作用使得空间位置分辨率降低。因此，评价给出了热中子像转化屏厚度与空间位置分辨率、中子-光子转换效率的关系，为热中子透射成像系统的研发准备了条件。

2 热中子透射成像特性研究

2.1 透射图像及边缘扩散函数分布

本工作采用典型的Monte Carlo程序Geant4，模拟计算均匀分布的平行热中子束透射Siemens star像指示器的图像，典型结果如图3所示，像转换屏选用40 μm厚的LiF（ZnS）转换屏。由各辐条以及圆环狭缝的二维分布可以定性看出，得到的热中子透射图像与建立的Siemens star像指示器模型高度一致。由于热中子与Gd的吸收截面达到259 000 b，热中子在Gd材料上的透射率远远小于镂空区域，因此，Siemens star像指示器的热中子透射图像在Gd材料上灰度更高，Gd材料与镂空狭缝边缘明显。

图3 Siemens star像指示器的热中子透射图像@40 μm厚LiF(ZnS)转换屏（彩图见网络版）Fig.3 Thermal neutron radiograph of Siemens star indicator with 40 µm thick LiF(ZnS) conversion screen (color online)

在Siemens star像指示器的热中子透射图像上选取一径向长度，中心到边缘，如图3中红线所示，并提取该径向方向上的光子计数分布，并对其进行平滑处理得到各圆环狭缝的边缘分布函数（Edge Spread Function，ESF）的归一化结果，如图4所示。计数较高部分即为圆环狭缝的宽度，6个计数峰分别与图3中slit1~slit6对应。以各峰的半高宽作为透射图像的狭缝宽度，计算得到分别为：97 μm、204 μm、410 μm、614 μm、983 μm、1 605 μm，与建模时设计的100 μm、200 μm、400 μm、600 μm、1 000 μm、1 600 μm相比，偏差分别为3%、2%、2.5%、2.3%、1.7%、0.3%。因此，随着圆环狭缝宽度越大，热中子透射成像结果与狭缝实际宽度偏差越小，热中子透射成像效果越好。

图4 转换光子计数沿径向分布及边缘分布函数Fig.4 Radial distribution and ESF of converted photon count

2.2 空间分辨率模拟分析

圆环狭缝的边缘分布函数（ESF）求导可得到各圆环狭缝边缘的线扩散函数（LSF），各个峰的半高宽（FWHM）即为各圆环狭缝的空间分辨率数值。图5以LiF（ZnS）像转换屏为例，给出了Siemens star像指示器的热中子透射图像及第四圆环狭缝边缘的线扩散函数（LSF）分布，LiF（ZnS）像转换屏的厚度分别为5 μm、10 μm、20 μm、30 μm、40 μm、50 μm、70 μm、100 μm。为了更细致地评价分析圆环狭缝对空间分辨率的影响，表1给出了基于LiF（ZnS）像转换屏的一维径向方向上6个圆环狭缝边缘的空间分辨率数值，同样地，表2给出了基于LiF（GOS）像转换屏的一维径向方向上6个圆环狭缝边缘的空间分辨率数值。对于厚度为5 μm的LiF（ZnS）像转换屏，第一、二圆环狭缝边缘的线扩散函数（LSF）分布未出现明显的峰，无法进行高斯拟合并确定半高宽，所以在表中并未给出空间分辨率数值。图6给出了基于LiF（ZnS）和LiF（GOS）像转化屏的热中子透射成像空间分辨率随着像转化屏厚度的关系，像转化屏厚度越厚，热中子透射成像空间分辨率数值越大，空间分辨率随着像转化屏厚度的增加持续变差。

表1 基于LiF(ZnS)像转换屏的热中子透射图像空间分辨率Table 1 Spatial resolution of thermal neutron radiograph based on the LiF(ZnS) image conversion screen

表2 基于LiF(GOS)像转换屏的热中子透射图像空间分辨率Table 2 Spatial resolution of thermal neutron radiograph based on the LiF(GOS) image conversion screen

图5 Siemens star像指示器的热中子透射图像及第四圆环狭缝边缘的线扩散函数(LSF)分布（LiF(ZnS)像转换屏）Fig.5 Thermal neutron radiograph of Siemens star indicator and LSF at the edge of the fourth ring slit (LiF(ZnS) conversion screen)

图6 基于LiF(ZnS)和LiF(GOS)像转化屏的热中子透射成像空间分辨率分布Fig.6 Spatial resolution distribution of thermal neutron radiograph based on the LiF(ZnS) and LiF(GOS) image conversion screens

由图6可以看出，相同厚度下基于LiF（GOS）像转换屏的热中子透射成像空间分辨能力要好于LiF（ZnS）像转换屏，其主要原因是发光材料Gd2O2S的核电荷数远高于ZnS，根据Bethe-Block公式，热中子与6LiF相互作用产生的α粒子在Gd2O2S材料中的电子阻止本领（电离能量损失率）要高于ZnS材料，导致其发光位置与入射位置偏差更小，此外，Gd2O2S作为发光材料的同时可有效地吸收部分散射热中子，提高本征空间分辨率。

2.3 热中子透射成像的光转换效率模拟分析

将Siemens star像指示器的热中子透射图像二维光子分布进行面积积分得到热中子透射成像的中子-光子转化效率。图7给出了基于LiF（ZnS）和LiF（GOS）像转化屏的热中子-光子转化效率随着像转化屏厚度的关系，光子波长选取450~700 nm的范围，与CCD相机匹配。由图7可以看出，随着像转化屏厚度越厚，热中子-光子转化效率越高，相应地，CCD相机成像曝光时间越短。

图7 基于LiF(ZnS)和LiF(GOS)像转化屏的热中子-光子转化效率分布Fig.7 Neutron-photon conversion efficiency distribution based on the LiF(ZnS) and LiF(GOS) image conversion screens

基于LiF（GOS）像转化屏的热中子-光子转化效率随着像转化屏厚度的增加先急剧增长后缓慢增长，当像转化屏厚度达到80 μm后，随着像转化屏厚度的增加而降低，主要原因是LiF（GOS）像转化屏自吸收了转化的部分光子。根据模拟计算数据，当LiF（GOS）像转化屏厚度为20 μm、30 μm、40 μm、50 μm、60 μm、70 μm、80 μm时，LiF（GOS）像转化屏对转化光子的自吸收份额分别为9%、21%、32%、42%、50%、58%、63%。当LiF（GOS）像转化屏厚度大于50 μm时，LiF（GOS）像转化屏的中子-光子转换效率与光子自吸收份额相对，约为50%。因此，当LiF（GOS）像转化屏厚度大于50 μm，LiF（GOS）像转化屏的中子-光子转化效率曲线近似平行，如图7所示。

由图7可以看出，基于LiF（ZnS）像转化屏的热中子-光子转化效率整体上随着像转化屏厚度的增加呈准线性增长。当像转化屏厚度相对较薄的情况下，基于LiF（GOS）像转化屏的热中子-光子转化效率整体上高于LiF（ZnS）像转化屏，这主要是由两方面原因引起：1）由于热中子与Gd的吸收截面达到259 000 b，LiF（GOS）像转换屏中的Gd2O2S除作为发光材料，同时也是热中子吸收材料，因此，相较于LiF（ZnS）像转化屏，LiF（GOS）像转换屏的热中子-光子转化效率更高；2）考虑到与拟选用CCD相机最佳匹配光波波长为450~700 nm范围，相较于LiF（ZnS）像转化屏，LiF（GOS）像转换屏的转化光子波长在此波长范围内的概率更大，约为LiF（ZnS）像转化屏的1.4倍［23-24］。

基于LiF（ZnS）和LiF（GOS）像转化屏的热中子-光子转化效率随着像转化屏厚度的增加而增高，然而，热中子透射成像空间分辨率随着像转化屏厚度的增加持续变差。因此，像转化屏的厚度须兼顾热中子透射成像空间分辨率和热中子-光子转化效率两方面的特性。由图6、7可以看出，基于LiF（GOS）像转化屏的热中子-光子转化效率随着像转化屏厚度的增加先急剧增长后缓慢增长，选取转化效率曲线增长斜率较缓的像转换屏厚度，约为40 μm，对应地，单位热中子的转化效率为136.34，热中子透射成像空间分辨率为45 μm。为了达到同样的热中子-光子转化效率，基于LiF（ZnS）像转化屏厚度应选取80 μm，对应地，单位热中子的转化效率为126.81，热中子透射成像空间分辨率为63 μm。

3 结语

本工作开展基于LiF（ZnS）和LiF（GOS）像转化屏的热中子透射成像特性的模拟研究，建立了基于紧凑型D-D中子源的热中子透射成像系统模型和Siemens star像指示器模型，采用Geant4程序模拟热中子透射成像的物理过程及透射光子二维图像。根据像指示器径向圆环狭缝边缘的边缘分布函数（ESF）和求导得到的线扩散函数（LSF）分布，评价计算不同厚度的LiF（ZnS）和LiF（GOS）像转化屏对热中子透射成像空间位置分辨率的影响，同时，根据热中子透射图像二维光子分布的面积积分评价热中子透射成像的中子-光子转化效率。综合考虑热中子透射成像空间分辨率和热中子-光子转化效率两方面的特性，选取LiF（GOS）像转化屏的厚度为40 μm，对应地，单位热中子的转化效率为136.34，热中子透射成像空间分辨率为45 μm；选取LiF（ZnS）像转化屏厚度应选取80 μm，对应地，单位热中子的转化效率为126.81，热中子透射成像空间分辨率为63 μm。

本工作评价计算了基于不同厚度LiF（ZnS）和LiF（GOS）像转化屏的热中子透射成像空间位置分辨率和热中子-光子转化效率的特征数值，为基于紧凑型D-D中子源的热中子透射成像系统的研发准备了条件，同时，本工作也为高通量加速器中子源、反应堆中子源平台上基于LiF（ZnS）和LiF（GOS）像转化屏的热中子透射成像系统的研制提供了技术参考。

作者贡献声明刘兴宇负责仿真模拟，文章撰写和修改；于筱雪、李航州和彭锦秋负责文献资料整理和数据收集；杨旭、吴康、白晓厚和王俊润负责软件支持及数据分析；邓志勇、吴璐和高艮涛负责研究方法指导和项目支持；万国荣、刘莉、何鹏和张芸负责模拟仿真指导和项目支持；张宇、姚泽恩和韦峥负责文章方法设计，文章框架指导和项目支持。