中子照相技术

p 　　 strong 仪器信息网讯 /strong 2018年7月13日下午，2018中国材料大会(CMRS)各分会场会议交流拉开帷幕。本次大会共设35个分会场，仪器信息网编辑走入E02.材料表征与评价分会场，为读者带来分会场中引起观众热烈关注的一场报告的内容报道。中国原子能科学研究院核物理研究所的副研究员韩松柏带来的报告《中国先进研究堆中子照相技术应用》。报告中全面介绍了中国先进研究堆中子照相技术的应用技术和产品，如储氢材料、锂电材料的研究者们想要获取材料内部变化的图像信息，就可以利用中子照相技术。此外，报告中特别展示了放射性样品间接中子CT研究最新进展。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/9609b937-08cd-4eb9-871c-1a71acbc434f.jpg" title=" 韩松柏.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 中国原子能科学研究院核物理研究所副研究员 韩松柏 /strong /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(31, 73, 125) " strong 世界第三的高通量中子源 /strong /span /p p 　　常见的X射线成像利用的是X射线与内层电子的相互作用。中子散射、中子成像这类应用，是因为中子具有自身特有的粒子性质。中子不带电荷，可与原子核相互作用，它的散射能力与原子序数没有关系，对于C、H、O、N等相对原子质量较轻的元素，利用中子成像可得到更清晰的图像信号，而这些元素对X射线而言是透明的。中子这具有不带电的特点，使其具有很强的穿透性，在实际测量金属材料的过程中具有很高的穿透深度。像高温、高压、磁场、电场这几类加载样品环境，可以采用许多不透光的金属作为窗口。在X射线，同步辐射均没有办法解决问题的时候，中子就体现出了它的优势。中子有磁矩，是一个真正的三维磁性结构。中子对临近原子、同位素具有一定的分辨能力。 /p p 　　技术的开展以及利用中子进行科学研究需要解决的首要问题是如何获取高通量的中子源。中国投资数十亿建成来开展中国原子能科学研究院的中国先进研究堆，位于北京市房山区。与通过使用质子轰击重金属靶来获取中子的中国散裂中子源不同，中国原子能科学技术研究院的中国先进研究堆采用裂变反应的方式来得到中子。目前，韩松柏开展中子照相实验的高通量中子源功率高达60MW，中子通量高，其规模目前排名亚洲第一、世界第三。堆芯发生裂变产生中子，从孔道穿出，向四面发散 由于中子源的建设成本很高，通过使用导管把中子引入到另一个大厅，可以损失很少的中子，以更好地利用每一个中子 中子的引出是为了建设更多的中子谱仪，目前中国先进研究堆已建成的谱仪有9台，在建的有5台。 /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(31, 73, 125) " strong 中子照相技术五大特点 /strong /span /p p 　　中子成像技术是随着X射线成像技术的进步而不断发展的。随着上世纪90年代数字相机的出现，有了数字成像技术 上世纪90年代中期，中子CT技术也发展了起来。中子照相的类别包括实时成像、共振成像。根据中子能量的不同，还可分为冷中子成像，快中子成像，超热中子成像，单波长中子成像等等。 /p p 　　中子照相是通过利用中子束穿过物体时在强度上的衰减变化，对被测物体进行透视成像，从而获取内部结构信息。中子源不能像X射线一样做成锥束，在实际应用中，中子发散束均被当做平行束进行处理。由于中子本身独特的性质，中子照相技术有五个特点： /p p 　　(1)深穿透性无损检测 /p p 　　(2)可观测磁场 /p p 　　(3)对轻元素敏感 /p p 　　(4)区分同位素 /p p 　　(5)可测试放射形样品。 /p p 　　因此，中子照相技术在某些应用领域独具优势，如：对于同一个金属外壳的炸弹样品，可见光只能观测到外表，X射线(150keV)无法看穿样品，Gamma射线(1.2MeV)能穿透但分辨率较差，中子(25MeV)不仅可以穿过样品，还可清晰观测到其中的炸药、电线、开关、计时器等部件。对于放射型样品，常规的X射线，胶片，包括成像板、相机都会出现很大的干扰，只有中子成像能够通过一定方法而把干扰去除。 /p p style=" text-align: center " strong span style=" color: rgb(31, 73, 125) " 9大谱仪和12项应用研究全扫描 /span /strong /p p 　　中国原子能科学研究院的合作模式是与有中子成像测试需求的国际、国内科研单位合作，利用中国先进研究堆的中子源建设相应的中子谱仪和开展中子成像应用研究。目前，中国先进研究堆已建成谱仪9台，另有5台在建。同时，与12家单位开展了一些中子成像的相关应用研究。 /p p 　　粉末衍射谱仪目前有两台，一台是与中国科学院大学合作建设的高分辨粉末衍射谱仪，另一台是与北京大学合作建设的高强度粉末衍射谱仪，均由对应高校出资。该设备可以观测和分析材料相态的纯度。 /p p 　　中子残余应力谱仪是与瑞典乌普萨拉大学合作建设的，可以研究材料疲劳与失效行为，通过分析内部残余应力来解释材料失效原因，目前该设备承担了很多国家重大科研任务。 /p p 　　中子织构谱仪、四圆单晶谱仪、热中子三轴谱仪是从德国Jü lich国家研究中心引进，中子织构用于研究材料自由取向，四圆单晶用于测量单晶材料。从德国引进的热中子三轴谱仪有两台，目前是与中科院物理所合作，主要用于研究材料动力学，研究内容均为前沿基础理论的方向，如热电材料、超导材料等，这类研究成果通常发表在Nature，Science等刊物。 /p p 　　中子反射谱仪和中子小角谱仪，是同中科院化学所合建的，反射谱仪用于研究材料表面，以及薄膜材料，主要有液体表面及高分子薄膜 中子小角主要用于做纳米相。 /p p 　　韩松柏在中国先进研究堆开展实验主要使用的两台设备，一台是高分辨探测系统，做实时成像，分辨率能做到50~80μm 另一台是高速探测系统，实时成像速度可达100帧/秒，分辨率则相对较低。 /p p 　　在建的中子谱仪设备有5台。和人民大学合作建设冷中子三轴谱仪和冷中子光谱仪。现有一台中子残余应力谱仪已无法满足需求，和中南大学合作建设工程谱仪。这三台谱仪总值约两亿多元，受到国家自然科学基金委的重大仪器专项支持，预计明年建成并投入使用。 /p p 　　此外，在建的还有两台中子照相装置，以及利用中子开展中子活化分析的装置。活化分析主要用于痕量元素的无损分析，如空气PM2.5的来源：不同的C元素来源，同位素不同，可做一个标记物C14来进行研究。 /p p 　　中国原子能科学研究院还同中航工业北京航空材料研究院等12家单位合作开展了一些中子成像的相关应用研究。合作研究的内容有：航空发动机叶片脱芯测试，干电池与锂离子电池中子照相，商业锂离子电子CT成像，燃料电池吹扫实验，燃料电池低温启动，两相流快速中子照相实验，油渗沙4D测量，古生物化石CT，压力容器钢焊接，砂岩自发吸渗，混凝土裂缝毛细吸附，混凝土钢筋锈蚀中子CT测量。应用研究结果很好地体现了中子照相技术的特点和优势，如： /p p 　　航空发动机叶片脱芯测试—通过图像增强技术可以很可靠地观测到航空发动机叶片脱芯测试过程是否脱芯完全。 /p p 　　干电池与锂离子电池中子照相—可清晰地观测到干电池与锂离子电池在满电与耗尽时的内部结构和状态。 /p p 　　燃料电池低温启动—中子开展燃料电池的研究有一个优势，中子穿透能力强，对于含氢物质比较敏感 研究燃料电池低温启动的过程中，可以观察到过冷水、冰是怎么生成，分布，以及如何演化变化的过程。 /p p 　　压力容器钢焊接—利用能量选择中子成像研究压力容器钢焊接，可细致微观地研究结构相变、织构以及进行应力分析。 /p p 　　油渗沙4D测量，砂岩自发吸渗，混凝土裂缝毛细吸附—X射线无法观测水的运动过程，而中子成像可以观测到这些行为。 /p p 　　混凝土钢筋锈蚀中子CT测量—将混凝土钢筋放在配置好的一个腐蚀液里，每过一段时间进行一个检测，中子成像不但可以把钢筋的图层剥离出来，可以把铁锈的图层剥离出来，从而观测到腐蚀演化的进程。 /p p style=" text-align: center " strong style=" text-align: center " span style=" color: rgb(31, 73, 125) " 放射性样品间接中子CT研究进展 /span /strong /p p 　　放射型材料可以用中子照相进行检测，使用间接成像的方法。首先将中子束打在被测样品上，中间接一个金属转换屏，该金属屏只能被中子所活化，而不能被γ、α等粒子所活化 金属屏带了显像信息之后，送入暗室进行二次曝光，有胶片和IP(Image Plate)板两种成像形式。基本的流程是：转换屏与中子曝光→与胶片曝光之前的冷却→转换屏与胶片曝光→胶片的显影及成像分析→转换屏的冷却。 /p p 　　IP板是目前主流的一个技术，具有三点优势：数字化成像数据，方便数据处理与存储 更宽的曝光线性范围，可对不同实验条件下的成像数据进行对比分析 成像黑度值与曝光量为线性关系，利于进行精确的定量测量。 /p p 　　其研究团队利用国内首台核燃料元件中子照相测试平台，在反应堆功率10MW的条件下，对模拟核燃料元件进行了CT无损测试、2D中子成像、测量杂质尺寸，对三明治型结构管材进行了中子CT三维实验，对高管进行了高分辨CT成像等实验。 /p p 　　报告结束后，多名参会的老师和学生向韩松柏提问，韩松柏一一回答了他们的问题，并向广大对中子成像技术感兴趣的科研工作者作出邀请，欢迎他们来到原子能院的中子谱仪测试平台进行实验。 /p p 　　仪器信息网将对2018中国材料大会现场跟踪报道(详见专题报道： a href=" http://www.instrument.com.cn/zt/2018C-MRS" target=" _blank" title=" " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 2018中国材料大会 /span /a )，欢迎关注CMRS后续精彩内容。 /p

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。

上个世纪90年代，如今已成为中国科学院院士的吴宜灿曾拒绝国外研发机构的多次邀请，放弃优厚待遇回到祖国。2020年，如今已成为凤麟核集团科研骨干的宋婧、师雪艳和一群年纪相仿的志同道合者，放弃手里的“铁饭碗”。两代人，走了两条告别“舒适区”的相似道路。在两条道路的交点处，高分辨率智能中子照相机应际而生。“凭什么中国人就干不成”中子，是开启核能利用的“钥匙”，也是构成原子乃至整个物质世界的基本粒子。中子本身不带电荷，具有很强的穿透能力，可以有效解决其他检测技术无法开展大厚部件缺陷或杂质无损检测的难题，快速精准识别物质成分。另外，中子学软件是核科学技术的核心载体，是核系统设计创新、安全评价的重要工具。自主化中子学软件的缺乏，曾严重制约着我国核技术行业的发展。吴宜灿深知，发展先进中子学理论、实现我国中子学软件及中子技术自主化有多么紧迫。“外国人能干的事情，凭什么中国人就干不成？不仅要干，干的还要比国外好！”很快，吴宜灿回国启动了我国自主中子学软件及中子核心技术的研发。历经三十多年发展，中子技术领域研发团队研发出大型一体化核设计与安全评价系统，建成大型氘氚中子源HINEG，提出“核5G”概念，并研发“核电宝”等。到2020年，中子技术在国际上已经在无损检测领域逐渐形成了产业应用。中子光研究院（青岛）院长宋婧告诉《中国科学报》，世界主要的航空发动机生产商，如通用电气公司、普惠公司、霍尼韦尔公司等都建立了发动机叶片残芯中子照相检测的企业标准。而这一技术在国内还远远满足不了工业应用的需求。“当时，国内能够提供中子照相检测的反应堆仅有两座，且体积庞大，无法实现工业现场的检测应用。有限的机时，难以满足用户单位对中子照相技术日益增长的需求。”宋婧说。研制可以在工业现场应用的紧凑型中子照相装置，成为他们的新目标。“要么创新，要么灭亡”当师雪艳跟家人说自己要辞职去一个创新平台做中子照相事业时，家人的第一反应是反对，因为那时的她在体制内工作，手里捧着“铁饭碗”。但最终她还是提起行囊，远走他乡。这次出走，起源于一次在青岛召开的学术会议。会上，他们介绍了自己在中子技术等领域的前沿成果，30多年的研发实力和技术积累得到了当地政府人员的认可。报告中，他们说：“没有任何借口——要么创新，要么灭亡。”这句话打动了当地政府人员，双方详聊后发现彼此理念契合、视野并肩。很快，在当地政府的支持下，中子照相项目落户青岛。项目刚落地，团队成员积累了许久的创新热情像火山熔岩一般喷薄而出。师雪艳、宋婧和其他年轻人，全都火急火燎地赶赴青岛。当时配套的实验室还没装修好，平均年龄才30岁出头的团队就在没有完全建成的实验室里，开始了第一台中子照相产品样机的设计和研发。毛坯房里堆着建筑材料，门窗没来得及装，冬天里零下十多度，寒风从窗户洞里呼啸而过。但对于他们来说，环境带来的挑战还不是最难熬的。更大的挑战是设计方案面临着一些质疑。“很多人都感觉我们的步子迈得太大了。”已成为中子光研究院（青岛）副院长的师雪艳说完话锋一转，“但是我们有信心。”他们不是第一次听到质疑声，早在他们说要做大型强流氘氚中子源时，质疑声就出现过，但他们还是走到了同类在运行装置中的世界前列。要么创新，要么灭亡。紧凑型高分辨率中子照相机涉及物理、材料、电气、结构等多学科耦合，国内外几乎没有成熟的经验可供参考，任何一个没有突破的技术难题都可能成为致命打击。研发过程中，科研人员一边密集研讨、大胆设计，一边分析测试、小心求证。他们设计制作的部件有几百件，历经的测试有上千次。吴宜灿常常鼓励大家：“虽然积累和经验缺乏，但年轻也有年轻的优势，就是有初生牛犊不怕虎的激情，有不会被传统思想禁锢的创新的心态，敢于去挑战世界第一。”“那两年，我们不断创新，不断验证，不断在碰壁中找到新的方向。”师雪艳说。在简陋的实验室里，一体化紧凑型中子源、高效中子慢化准直、高保真中子图像处理等关键技术被各个击破，中子源小型化与高保真中子成像的设想一点点变成现实。“做有用的科研”师雪艳说，他们的争分夺秒逆流而上，为的不只是项目顺利验收，也不只是追求世界第一，而是满足用户的需求，“‘有用’才是我们的目标”。2021年底，中子照相机完成了组装。正当项目团队准备给它做最后的调试时，一家用户单位紧急找了过来，希望尽快检测一批产品。接到请求后，团队成员把研发的整个过程挨着捋了一遍，从每个部件的检测调试，到整个安装流程。最后，大家信心满满，决定接下这项任务。很快，实验室里摆满了用户单位寄来的、刚刚从生产线上下来的产品。中子照相机每个系统的负责人都来到实验室，两天两夜不眠不休地完成了所有产品的检测，并把中子照相无损检测报告提交给用户单位。让师雪艳感到自豪的是：“用户单位对被检产品进行了人工破坏性复检，复检结果与我们的检测结果完全一致，我们的检出率是100%。”就这样，他们完成了首台适用于工业现场应用的紧凑型高分辨率中子照相机产品的研制与首测。今年1月，在科技部认定的第三方科技成果评价机构组织的科技成果评价会上，院士专家组评价认为，该成果“具有自主知识产权，核心技术自主可控，成像质量达国际标准最高等级，实现了中子照相智能化，整体技术和指标达到国际领先水平”，“为解决我国亟需重大装备无损检测的难题做出重大贡献，经济社会效益显著，应用前景十分广阔”。