热中子照相成像系统的研制

中子照相是无损检测技术的一个分支,在检测含氢材料、重金属组件、原子序数相近的材料和某些复合材料、放射性材料等方面弥补了X光照相等其他无损检测技术的不足。成像系统是中子照相装置的关键设备,它的功能是将穿过样品的中子束的空间分布转换为图像信号,从而判读样品的内部结构特征。为满足对某些样品的无损检测的需要,我们研制了采用胶片为记录介质的静态成像和采用CCD为记录介质的在线成像系统,利用300#反应堆为中子源进行的应用研究表明,所采用的技术路线是基本合理的,达到了检测目的。

1　中子照相成像系统的基本技术路线[1,2]

　　由于中子不带电,因此中子成像包含了两个环节:中子转换和次级粒子成像。成像系统依据成像介质的不同分为采用胶片或NIP(Neutron Imaging Plate)的静态成像和采用CCD等数字成像器件的在线成像,前者具有较好的分辨力,但探测灵敏度低、时间分辨力差、动态范围小、线性度差、难以保存等诸多不足,后者的特点正与前者相反。

1.1　中子照相胶片成像装置

胶片成像包括直接曝光成像和间接曝光成像[1,2],成像原理如图1所示。直接曝光成像是将胶片和转换屏一起置于中子场中曝光的方法,转化屏常用材料是金属Gd,Gd具有很大的热中子宏观吸收截面(∑a=140mm-1),在所有金属中是最高的,一个10μm厚的Gd屏可以吸收75%的热中子,而Gd吸收中子后的γ瞬间发射能谱非常丰富,一些低能端的γ能量恰好适合于诱发内转换电子,从而使胶片曝光,因此,Gd金属屏是一种高分辨力的理想的中子照相转换屏。我们利用1mm厚99.5%的纯铝为基板,采用离子溅射镀膜技术,将Gd金属粉末均匀喷镀在铝基板上,研制了10～50μm不同厚度的屏,对其厚度与分辨力和成像速度等参数间的关系进行了研究,实验表明在钆厚度为20～25μm,用作后屏,在分辨率与成像速度之间达到了较好的平衡,这一实验结果与Berger[3]的实验结果基本相符。转移曝光成像是将转换屏(活化屏)放在中子场中活化,在暗室内将活化屏与胶片紧贴曝光的方法,转移曝光的优点是能消除样品辐射本底对成像的影响,常用于对放射性材料成像,我们对此进行了简单尝试。由于γ射线曝光效率较差,因此,活化屏材料选用次级粒子为β粒子的较好,铟和镝是两种最常用的。将铟材料轧制成0.2～0.5mm厚的箔片,进行了转移照相的实验,获得了较好的实验效果。像Gd转换屏的制作方法一样,采用镀膜技术制作活化屏能获得更好的照相效果。成像胶片图像经胶片扫描仪扫描后可获取数字化图像。

1.2　中子照相CCD成像装置

随着CCD等数字成像技术和图像采集处理技术的发展,采用CCD技术的数字成像技术成了中子照相的主流发展方向,除了分辨力不及胶片成像技术外,在探测灵敏度、线性度、时间分辨、动态范围等方面均优于胶片成像。但是CCD成像有一个重要的问题必须考虑,在中子γ混合场中,CCD芯片会出现暗电流上升、白噪声增多等现象,因此在建立CCD成像装置的过程中,必须从选材、屏蔽和图像后处理等诸多方面,采取一定的技术途径,降低辐射对成像的影响,提高图像质量。