菲尼酮照相级

据美国物理学家组织网11月17日报道，美国麻省理工科学家最近研制出一种照相机，能拍摄到来自非正面的目标。这种照相机安装了一个飞秒激光器，当其发出的极短暂光脉冲被某个物体(比如门或镜子)反射后，可在光线返回之前拍摄第二个目标图像，然后利用数学算法将这些像素信息重建，就能获得那些隐蔽景物的图像。 　　激光照相机由麻省理工教授拉瑞马斯瑞斯卡及其研究小组设计，称为“飞秒瞬间成像系统”(femtosecond transient imaging system)。这种相机能在极短时间内捕获光线，大约是千万亿分之一秒。他解释说，通过不断收集光线，计算每个像素到达照相机的时间和距离，就能按照所处环境生成一种“三维实时图像”。 　　“这就像不用X射线却有了X射线般的眼睛，”瑞斯卡说，“我们将围绕着目标，而不是通过它。” 　　这种相机目前仍处于早期研发阶段，研究人员正在探究如何精确合成更复杂的图像。该相机系统将有广泛的应用，比如用于搜救任务，在垮塌或失火建筑中寻找幸存者，也能避免汽车在隐蔽拐角处相撞，在工业上还可用于机械探测以检查隐蔽物体。此外，它和生物医学图像也有相似之处，可让医生用内窥镜观察身体内部被遮住的区域，便携式的内窥镜成像系统再过两年就可能出现。

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”。

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。