中子测水仪

编者按：中国制造的痛点在于产业结构偏中低端，缺少高附加值的产业，产业结构向高端转变的关键就在于提高质量。中子无损检测在航空航天、国防、安检、新能源汽车电池很多领域都有着不可替代性，目前国内的中子照相检测新兴产业风口已经形成。目前我国工业的装备制造处在飞速发展与中低端向高端转型的重要阶段，在此过程中，确保产品的质量至关重要，而提升质量的核心是解决超精密检测能力问题。没有超精密检测，就不会有高质量的高端装备制造。我国现阶段须迫切完成的任务是，补齐精密检测能力，追平超精密检测能力，在完整精度检测阶段胜出。只有从根本上解决整体检测能力问题，才能从根本上解决高端装备制造质量问题。 中子照相检测赋能高端设备制造的“黑科技” 中子照相是一种高端先进的无损检测技术，跟已经应用和正在进行研究的70余种无损检测方法相比，中子具有穿透能力强、轻元素检测灵敏、成分识别准、抗干扰能力强的独特优势。一般情况下，普通金属原子与中子发生核反应的概率都比较小，而大多数轻材料是碳氢化合物，其中的氢原子对中子有较大的散射截面，从而使得中子的透射强度大为减弱，因此，当需要检测重金属内部轻质材料的分布状态时，中子照相可以达到比较高的灵敏度。由于中子在不同同位素或原子序数相近的核素材料中衰减系数不同，因此中子照相还具备区分同位素、检测原子序数相同或相近核素材料分布的能力。此外，中子照相采用对中子反应截面较大的转换屏来记录中子图像，可以消除杂乱射线的影响，实现干扰环境下的精确成像。因此，中子照相相比其他无损检测手段，具有不可替代的核心优势。在航空领域，航空发动机涡轮叶片是飞机的关键部件，单晶涡轮叶片是由腊模精密铸造而成，外壳为耐高温的镍基合金，但是在铸造过程中，里面的散热孔道可能还残留没有脱离干净的氧化铝型芯，导致散热孔道的堵塞，叶片无法正常散热会严重损害发动机的正常运转，不仅影响发动机性能，甚至还会引发严重事故。如果采用常规X射线等手段，只能识别出毫米级别残芯，会造成残芯漏检，无法确保叶片的质量，但利用中子照相进行检测，可以实现微米级别的残芯检出，大大提升涡轮叶片的缺陷检出率，保障了涡轮叶片的生产质量与飞机的飞行安全。在航天领域，导爆索是火箭发射的关键要素之一，导爆索的生产过程中可能出现空隙、压制不实，或在火药中混入铅粒或银粒，导致炸药分布不均匀，这些都会引起阻燃，从而影响导弹、火箭的正常发射。航天导爆索主要由含H、C、N、O的火药和Ag、Pb等包层构成，由于其材料复杂且结构特殊，使用X射线照相检测导爆索药柱的缝隙、断痕、密度分布等存在许多困难，然而利用中子照相可以较为容易的实现。因此，对火箭发射起爆器开展中子照相检测对于保障火箭安全发射至关重要，例如法国还特别规定，其阿丽娜火箭发射前，起爆器必须经过中子照相检测。我国中子照相技术落后“三十年”迎转机在国际上，中子照相已实际应用于飞机机翼、油箱、发动机、航天飞行器元件、火工品、电子线路、冶金部件、有机粘合件、核燃料组件等的无损检测和氢化物的检测，具有重要的应用价值，许多应用已经完全商业化。在美国，90%的航空发动机和零部件制造商都已将中子照相作为发动机生产的必需检测流程之一，并建立了相关的企业标准。世界最大的民用和军用飞机制造商美国波音公司（Boeing）和世界第二大飞机制造商美国军用飞机巨头洛克希德（Kockheed）、美国普拉特•惠特尼（Pratt & Whitney）在其产品生产过程中均要求必须使用中子照相无损检测进行发动机叶片质量检测。在加拿大，多伦多的Nray服务公司已经向全球40多家客户单位提供中子照相服务，客户包括全球大型企业、国防部门、科研院所以及高校。同样的，加拿大Precicast、加拿大Liburdi Engineering两大世界大型的航空发动机零部件制造商也使用中子照相进行产品质量检测。在欧洲，同样中子照相商业化应用主要为航空发动机制造过程中的无损检测，例如英国罗尔斯•罗伊斯（Rolls-Royce）、奥地利AE公司在发动机制造过程使用中子照相无损检测，世界主要航空发动机公司，包括美国波音公司、GE公司、普惠公司，英国的罗尔斯•罗伊斯公司（又称劳斯莱斯）等在上世纪九十年代就开始使用热中子照相方式进行航空发动机叶片批量检测，并建立了发动机叶片残芯检测的企业标准。在澳大利亚，澳大利亚科学与工程研究学院2007年研制的中子/X射线融合照相装置已实际服务于澳大利亚布里斯本国际机场，成为世界首个商业CSIRO航空货运扫描仪。同时2008年开始与中国同方威视公司开始合作，研发下一代中子/X射线联合航空安检设备，用于航空包裹的检测。由于中子照相在工业应用中的重要性和敏感性，尤其是在航空发动机制造中的应用，国际上大部分企业对该技术都选择严格保密，相关国家也将此技术列为国家战略技术，严格禁止技术输出。特别是21世纪初期，欧美对华高技术出口渠道重新收紧，特别是“考克斯报告”和“出口管制清单”的发布，美国商务部工业安全局将中子源系统、中子管、中子计算模拟软件等列入对我国贸易出口限制清单。因此，“拿来主义”在中子工业检测领域行不通，我国中子技术在相当长的一段时间内一直处于无法实现工业应用的状态。新中国的发展历史告诉我们，落后就要挨打，关键技术的发展是无法依赖任何外部力量，必须坚定不移地自主发展，才能从根本上保障国家的经济安全与国防安全。我国的中子照相技术相对起步较晚，基础理论发展及装置研制进程较慢，很长一段时间以来一直处于实验室研究阶段，缺少成熟的市场产品。国内的中子照相技术通过多年的研究发展，已经可以得到质量优异的检测图像。但是由于研究都是基于反应堆或者大型加速器，而反应堆或者加速器受到体积庞大、造价高昂、建设周期长、专业性强等因素制约，国内的中子照相技术一直都没有形成体系，无法广泛的推广到工业应用中。直到2022年初，凤麟核团队攻克了中子照相的诸多技术难题，率先发布了国际首台紧凑型高分辨率中子照相机，据相关媒体报道，该中子照相机已成功应用于航空航天、能源装备、电路结构、动力电池等领域的无损检测。该中子照相机同时解决了体积小、性能强、智能易用、成本低等多个矛盾问题，使得中子照相广泛应用于工业检测成为了可能。我国中子照相检测新兴产业迎来转机，在高端制造的多个领域迅猛发展，应用日益广泛和深入。中子照相检测新兴产业新“风口”根据中国机械工程学会组编的《无损检测发展线路图》统计，经过实施无损检测后，各行业的产品增值情况为：机械产品约5%，国防、宇航、原子能产品为12%~18%，火箭为20%左右。中子照相检测市场前景广阔，据估算，目前的市场规模超200亿元/年，且随着应用领域的拓展和开发，市场规模还在不断扩大。就拿航空发动机涡轮叶片检测来说，利用中子进行检测，灵敏度比X射线高出1个量级，可识别出0.2 mg以下的微小残芯，可满足四代及以上发动机的无损检测需求。此外，中子无损检测在火工品、钢混结构缺陷检测、放射性部件检测、毒品、爆炸物安检、新能源汽车电池检测、弹药及武器装备检测等很多领域都具有不可替代性。小编认为，中子照相检测新兴产业新的“风口”已出现，新一代中子无损检测技术就像被评选为百年来最重要发明的X射线一样，必将赋能和引领工业发展的下一个百年。

3月3日，国家自然科学基金委员会在我校举行由钟掘院士负责的国家重大科研仪器设备研制专项&ldquo 材料与构件深部应力场及缺陷无损探测中子谱仪研制&rdquo 项目启动会，会议由国家基金委工程与材料科学部副主任、该项目管理工作组组长黎明主持。 　　国家基金委高瑞平副主任，国家基金委计划局局长孟宪平，教育部科技司雷朝滋副司长，湖南省科技厅姜郁文总工程师，基金委项目管理工作组专家谭建荣院士、雒建斌院士，教育部项目监理组专家南策文院士，中国原子能科学研究院柳卫平副院长，校领导高文兵、周科朝等出席了会议。 　　&ldquo 材料与构件深部应力场及缺陷无损探测中子谱仪研制&rdquo 项目以中南大学为依托单位，中国原子能科学研究院参加承担，经费7600万元，项目周期5年。项目将通过五年时间研制成功材料与构件深部应力场及缺陷无损探测中子谱仪，用于探测材料/构件深部残余应力场和宏观应力场、构件损伤缺陷及周围应力场以及材料组成相应力，服务于材料设计、构件与材料一体化设计制造与服役性能的科学评估、重大装备安全运行的条件保证等 探索多相材料组成相之间的内应力状态及其相互作用与变化、循环应力作用下材料/构件的损伤形成机理及其演变等科学规律。 　　高瑞平副主任、雷朝滋副司长分别强调指出：中子谱仪项目是基金委工程与材料科学学部首批获批的重大仪器专项项目，希望中南大学和原子能院紧密合作，积极推动项目的实施。 　　我校党委书记高文兵致辞表示：该项目对学校的学科有很大的作用，感谢国家基金委对中南大学的支持，并承诺按照国家基金委的要求做好项目管理和服务，与合作单位原子能研究院一起在人、财和物方面全力给予保障和支持。 　　项目负责人钟掘院士代表项目组向基金委、教育部领导及专家组详细汇报了项目的整体规划、拟解决的关键科学与技术问题、研究内容与具体工作安排、任务分工等情况。基金委项目管理工作组和教育部监理组及与会的领导和专家就项目工作计划进行了质询并参观了实验场地，考察了工作环境和技术支撑条件。 　　项目管理工作组和监理组专家和与会领导围绕项目方案和计划进行了认真讨论，一致认为，该项目科学意义和工程意义重大，工作基础和工作条件良好。中南大学团队长期研究高性能材料与构件及装备制造，结合航空构件对其制造与服役过程内部应力的产生、发展与演变进行多科学视角的探索研究，在残余应力测试与建模、缺陷无损探测、机构运动建模与精密定位控制方面研究经验丰富 中国原子能科学研究院拥有高通量研究堆装置，为本项目仪器的建设提供了前提条件，在中子光学理论、中子传输与探测元器件等的研制和射线屏蔽系统的设计建造等方面具有深厚的研究积累，在建设中子谱仪的国际合作方面具有丰富经验。中南大学和中国原子能科学研究院优势互补，强强联合，充分整合了现有相关资源和研究队伍，确保本项目跨学科跨领域深度合作、顺利实施，为该谱仪的研制提供了保障。该项目的目标明确、内容合理、指标先进、总体实施方案可行，一致同意该项目启动。 　　姜郁文总工程师、柳卫平副院长、孟宪平局长先后在会上表示，将与中南大学通力合作，充分利用中子源和中子光学的研究基础、研究条件和经验，保质保量的完成中子谱仪研制任务。

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