中子照相技術(shù)及其在無損檢測中的應(yīng)用研究

郭廣平，陳啟芳，鄔冠華

(1.無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063;2.北京航空材料研究院，北京 100095)

0 引言

中子照相技術(shù)利用中子與原子核的相互作用成像，在穿透能力、原子序數(shù)相近元素的分辨能力等方面有其他無損檢測方法所不具備的獨特優(yōu)勢。在許多國家，特別是在工業(yè)發(fā)達(dá)的國家中，中子照相技術(shù)已在航天、航空、化工冶金、核工業(yè)等部門的產(chǎn)品質(zhì)量控制以及在科學(xué)研究和生物科學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用，顯示了其獨特的作用［1］。但中子照相所需要的中子源在造價、環(huán)保等方面的高要求，又在很大程度上限制了中子照相技術(shù)的推廣與應(yīng)用。

中子照相，與X 射線照相類似，利用中子射線束穿過被檢驗物體在強度上的衰減變化獲取被檢物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)或缺陷的圖像［2］。但中子的衰減特性與X 射線迥異，X 射線的衰減系數(shù)與材料原子序數(shù)有一定的關(guān)系。材料的原子序數(shù)越大、核外電子數(shù)越多時，X 射線的衰減系數(shù)越大。而中子不帶電，它能輕易穿透物質(zhì)的電子層與原子核發(fā)生反應(yīng)，其衰減系數(shù)大小取決于原子核與中子發(fā)生的核反應(yīng)。不同元素原子核對不同能量中子的反應(yīng)(截面)關(guān)系非常復(fù)雜，因此中子射線質(zhì)量衰減系數(shù)與物質(zhì)的原子序數(shù)沒有確定的函數(shù)關(guān)系，X 射線和熱中子分別與不同元素作用時質(zhì)量衰減系數(shù)對比如圖1 所示。

圖1 不同元素對熱中子和X 射線的質(zhì)量衰減系數(shù)［4］Fig.1 The quality attenuation coefficient of different elements on thermal neutron and X-ray

中子射線能夠輕易穿透很多金屬材料，但是對于一些輕質(zhì)元素的衰減反而特別大［3］，因而中子照相能對被金屬材料包裹的輕質(zhì)材料進(jìn)行檢測，例如金屬外殼內(nèi)有機物和無機物的狀態(tài);由于不同同位素的熱中子質(zhì)量衰減系數(shù)不同，甚至相差很大，所以對于某些元素同位素含量分布或變化也可以采用中子照相檢測;中子照相還可以對強放射性試樣進(jìn)行成像，例如反應(yīng)堆用過的原件棒，這些都是常規(guī)射線照相所不能完成的。鑒于中子照相這些獨特的性質(zhì)，中子射線照相可作為X、γ 射線照相的補充，在某些場合是其他方法無法替代和唯一可行的檢測方法。

中子照相根據(jù)中子能量的不同分為快中子照相、熱中子照相、冷中子照相。冷中子能量低于0.005 eV，熱中子能量為0.005～0.5 eV，快中子能量在1 keV 以上。因為相對更容易得到足夠強度的熱中子源以及不同元素或者同位素對于熱中子的吸收系數(shù)最大，目前在中子射線照相檢驗技術(shù)中廣泛應(yīng)用的是熱中子射線照相檢驗技術(shù)［5］。

1 中子射線照相系統(tǒng)

中子照相系統(tǒng)主要由中子源、準(zhǔn)直器、像探測器等3 個主要組成部分，如圖2 所示。

圖2 中子照相系統(tǒng)示意圖［3］Fig.2 Schematic diagram of neutron radiography system

由中子源發(fā)出的中子經(jīng)過準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后投射到被檢物體上發(fā)生衰減，衰減后的中子空間分布被像探測器接收形成被檢物體的透射投影圖像。中子射線衰減規(guī)律遵循指數(shù)衰減規(guī)律:

式中，I 為透射中子強度，I0為入射中子強度，T 為試樣在輻射方向上的厚度，μx為試樣對中子的衰減系數(shù)。

如果試樣不均勻或者有缺陷，則透射中子的強度就會發(fā)生變化，利用特定的技術(shù)和相關(guān)的影像技術(shù)記錄這些變化就能顯示試樣內(nèi)部情況［6］。

中子源:有不同類型，主要有核反應(yīng)堆中子源、放射性同位素中子源、加速器中子源和中子管中子源等，這些中子源在產(chǎn)生中子的強度上有很大的差異，各具優(yōu)缺點，不同中子源之間的比較見表1。

截止1997年，用于中子照相的中子源在全世界共有104 個，其中約有75%的中子源是反應(yīng)堆中子源。反應(yīng)堆中子源中子產(chǎn)額最高，用于中子照相效果最好，在世界各主要國家得到廣泛應(yīng)用［7］。

盡管反應(yīng)堆中子源得到的檢測圖像優(yōu)異，但其體積龐大、造價高昂以及專業(yè)性強，不能實現(xiàn)現(xiàn)場檢測和用戶自主檢測，嚴(yán)重地限制了中子照相技術(shù)的進(jìn)一步推廣。從技術(shù)推廣和應(yīng)用發(fā)展的角度來看，開發(fā)一種價格相對低廉、用戶容易掌握及成像質(zhì)量滿足用戶需求的中子源是中子照相的必然趨勢。目前加速器的技術(shù)得到較大發(fā)展，在一定程度上實現(xiàn)了小型化，其外形尺寸可達(dá)到長2 m，寬0.5 m，高1.7 m 以內(nèi)，中子產(chǎn)額可以達(dá)到1011量級，是中子照相的一種較為理想的選擇。

準(zhǔn)直器:中子源產(chǎn)生的中子需要經(jīng)過準(zhǔn)直器對發(fā)散的中子束準(zhǔn)直、整形以提高平行度，并將中子束引到被照物體上，準(zhǔn)直器的好壞直接影響成像的分辨力，常見的中子準(zhǔn)直器有圓管型、多束圓管型、多束平板型、發(fā)散型等。

表1 不同中子源之間的比較［2］Table 1 Comparison between different neutron source

像探測器:中子照相中圖像顯示方法主要有轉(zhuǎn)換屏—X 膠片成像法、徑跡蝕刻法、中子實時成像法和中子層析照相法4 種，目前使用最廣泛的是中子實時成像法［8］。

2 中子照相技術(shù)的發(fā)展歷史

1932年中子被發(fā)現(xiàn)之后，中子照相技術(shù)的研究就隨之開展起來［9］。中子照相最早的研究工作是在1935年德國首次利用加速器中子源(這種源相當(dāng)于2～3 g 的Ra-Be 源)產(chǎn)生中子射線研究中子照相，后來由于世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，研究工作受到了影響，直到1947年才公布當(dāng)時的研究成果。隨后的幾年相繼發(fā)表了幾篇關(guān)于中子成像的研究論文，但是當(dāng)時中子源的強度非常弱，曝光時間很長，中子成像質(zhì)量很差，這段時期的研究工作沒有很大的實用意義，在以后的一段時間，這方面的工作開展的很少。

1956年首次出現(xiàn)了核反應(yīng)堆，核反應(yīng)堆為中子照相提供了高質(zhì)量的中子源，是中子照相技術(shù)迅速發(fā)展的一個關(guān)鍵因素。在總結(jié)早期中子照相研究工作的基礎(chǔ)上，1956年在英國的Harwell 反應(yīng)堆上第一次得到了高質(zhì)量的中子照相圖像。盡管使用反應(yīng)堆中子源能得到高質(zhì)量的中子照相圖像，但是當(dāng)時并沒有發(fā)現(xiàn)中子照相有何重要應(yīng)用，因此這項技術(shù)緩慢的發(fā)展了幾年［10］。60年代初期，由于對放射性材料結(jié)構(gòu)檢測的迫切需求，眾多學(xué)者投入到中子照相研究工作中，中子照相技術(shù)得以迅速發(fā)展并取得了一定的成績［11］，如:1963年Berger 和Beck 使用中子照相檢測具有高放射性的反應(yīng)堆核燃料，解決了帶放射性材料無法檢測的難題［12］;1966年Rhoten 和Carey 用中子照相檢測小型爆炸裝置，確保小型爆炸裝置金屬部分和非金屬部分正確組裝［13］;1976年Edenborough 使用中子照相檢測航空發(fā)動機渦輪葉片殘余型芯［14］，解決了葉片殘芯難以檢測的難題。之后中子照相技術(shù)的研究領(lǐng)域逐漸擴大，在中子源上，由反應(yīng)堆中子源發(fā)展到加速器中子源、同位素中子源和次臨界裝置中子源，實現(xiàn)了可移動式的中子照相裝置用于現(xiàn)場檢測;在成像方式上，由傳統(tǒng)的膠片成像發(fā)展到CCD、NIP、非晶硅面板探測器數(shù)字成像和中子層析(CT)成像［15］;在中子能量上，由熱中子照相拓展到快中子照相和冷中子照相;在應(yīng)用上，中子照相由工業(yè)應(yīng)用擴展到生物、醫(yī)學(xué)、建筑、食品以及藝術(shù)文化作品的鑒定［16］。盡管熱中子照相技術(shù)的研究已經(jīng)非常成熟應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，但由于缺少滿足中子照相的可移動式中子源以及反應(yīng)堆中子源使用維護(hù)的成本非常巨大，這項技術(shù)的研究工作被擱置于一旁［17］。中子照相技術(shù)在快中子照相、冷中子照相和中子照相成像技術(shù)上仍有很廣闊的發(fā)展空間。

隨著技術(shù)的推廣和發(fā)展，促進(jìn)了國際間中子照相技術(shù)的合作與交流，1981年J.P.Barton 組織舉辦了第一屆世界中子照相大會(WCNR)，到目前為止共召開了10 屆世界中子照相大會;1990年MacGillivray 和Brenizer 組織召開了第一屆中子照相國際專題會議(ITMNR)，至今已至少召開了7 屆，這兩項會議記錄了幾乎所有中子照相技術(shù)的相關(guān)研究成果［18］。

我國的中子照相技術(shù)研究工作始于20 世紀(jì)60年代初，由于起步較晚，目前技術(shù)相對落后，但很多科研人員通過長期的努力也取得了不少成果。80年代初期清華大學(xué)核能技術(shù)研究所苗齊田等首批建成和投入使用的反應(yīng)堆熱中子照相系統(tǒng)上對土壤中植物根系的生長情況進(jìn)行了探索與觀察土壤中植物幼苗的連續(xù)生長過程;貊大衛(wèi)對導(dǎo)爆索的典型和可能缺陷進(jìn)行中子照相實驗研究和理論分析，對導(dǎo)爆索藥柱人工缺陷進(jìn)行中子照相實驗后得出中子照相技術(shù)可以檢測導(dǎo)爆索內(nèi)無藥柱、藥柱斷芯或藥柱異常等缺陷。目前國內(nèi)已經(jīng)建立的中子照相系統(tǒng)有清華大學(xué)901 反應(yīng)堆、中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所的SPRR-300 反應(yīng)堆、中國原子能科學(xué)研究院的CARR 反應(yīng)堆和北京大學(xué)4.5 MV 靜電加速器中子照相系統(tǒng)等，從事中子照相技術(shù)研究的有中國工程物理研究院、清華大學(xué)、中國原子能科學(xué)研究院、西北核技術(shù)所、北京大學(xué)等單位。

2012年，由中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所牽頭，申報科技部重大儀器專項“基于小型加速器中子源的可移動式中子成像檢測儀”獲得批復(fù)。項目將研制可移動式的加速器中子源并在航空發(fā)動機葉片及航天火工品等方面進(jìn)行推廣應(yīng)用。作為合作單位，北京航空材料研究院開展了航空發(fā)動機渦輪葉片殘余型芯檢測技術(shù)應(yīng)用研究。利用中國工程物理研究院的反應(yīng)堆中子成像系統(tǒng)，在葉片的陶瓷型芯中添加元素釓作為示蹤劑，獲得了質(zhì)量極佳的葉片殘余型芯圖像。目前開展主要工作集中在檢測能力的定量描述和圖像質(zhì)量控制技術(shù)。

3 中子照相技術(shù)的主要標(biāo)準(zhǔn)

以美國為首的主要中子照相研究國家在裝置參數(shù)測定、參數(shù)測定器件以及圖像質(zhì)量評價方法等多個方面建立了國際標(biāo)準(zhǔn)、軍用標(biāo)準(zhǔn)，以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等，如表2 所示。

表2 中子照相主要標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Main standard of neutron radiography

雖然我國在技術(shù)研究、應(yīng)用研究以及裝置建設(shè)等方面取得長足進(jìn)步，與中子照相技術(shù)先進(jìn)國家間的差距逐步縮小，但除等同采用ISO 11537、ISO 12721 編制國家標(biāo)準(zhǔn)外，應(yīng)用相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚屬空白。各研究單位應(yīng)加強合作與交流爭取早日建立我國自己的中子照相相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步加強中子照相技術(shù)的推廣和應(yīng)用工作。

4 中子照相技術(shù)的應(yīng)用

4.1 在航空航天中的應(yīng)用

航空發(fā)動機渦輪葉片是飛機的關(guān)鍵部件，它由蠟?zāi)＞荑T造而成。葉片制造過程中如果脫芯不完全留下殘芯，葉片不能正常散熱易導(dǎo)致葉片的失效，嚴(yán)重?fù)p害發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)。因此通常在葉片制造的過程中，往型芯材料中摻入少量熱中子截面非常大的元素(如Gd)作為標(biāo)記物質(zhì)提高熱中子成像檢測的靈敏度［19］，如果葉片中留有殘芯，通過中子照相檢測，葉片殘芯很容易被檢測出來，渦輪葉片的熱中子圖像如圖3 所示。據(jù)資料報道，臺灣核能研究院在ZPRL 反應(yīng)堆上采用摻釓法最小能檢出0.3 mm 大小的殘芯［20］，熱中子照相檢測葉片殘芯因其具有很高的靈敏度，目前已證明是最有效的一種殘芯檢測方法。中子照相檢測航空發(fā)動機葉片殘芯已經(jīng)商業(yè)化，加拿大多倫多的Nray 服務(wù)公司已經(jīng)向全球客戶提供中子照相服務(wù)。世界主要發(fā)動機公司，如羅羅公司、GE 公司及普惠公司等均建立了發(fā)動機葉片殘余型芯檢測的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行產(chǎn)品實物的批量檢測。在航天領(lǐng)域，法國規(guī)定阿麗亞娜火箭起爆器必須經(jīng)過中子照相檢測。

圖3 渦輪葉片的熱中子照相圖像Fig.3 Thermal neutron image of turbine blade

4.2 在核工業(yè)中的應(yīng)用［21-22］

中子照相在對反應(yīng)堆核燃料的檢測中具有重要的地位。由于核燃料元件中含有大量放射性且其他射線照相方法無法對其進(jìn)行檢測，利用水下中子照相裝置采用間接曝光法可以有效檢測出核燃料的內(nèi)部鈾芯變形、破裂、熔化等情況，核燃料元件棒的中子圖像如圖4 所示。中子照相技術(shù)還可以對核燃料的尺寸進(jìn)行測定，采用熱中子照相和鏑轉(zhuǎn)換屏間接曝光法對核燃料尺寸進(jìn)行測定，尺寸測量的精度可達(dá)38 μm。

圖4 5 根核燃料棒的中子照相圖像Fig.4 Neutron image of five nuclear fuel elements

4.3 在軍事上的應(yīng)用［1，21］

炸藥的主要成分體對X 射線的衰減系數(shù)極小，但對于熱中子的衰減系數(shù)卻很大，因此利用中子照相技術(shù)可對導(dǎo)火索、子彈、炮彈等內(nèi)部火藥的裝藥情況(包括密度及其均勻性，有無空隙和夾雜物等)進(jìn)行全面的檢測;對于一些軍械及軍事裝置的重要部件在裝配前后要用中子射線照相進(jìn)行質(zhì)量檢查，以做出安全評價和質(zhì)量保證。另外從敵方繳獲的軍事設(shè)備中，常常裝有自毀性炸藥，在對其進(jìn)行拆卸時，必須使用中子射線照相探明炸藥的安放位置和引爆裝置的連接情況，以保證拆卸安全。

4.4 在考古中的應(yīng)用［1，23］

中子射線照相是考證古代文物內(nèi)部結(jié)構(gòu)和制作工藝等的重要技術(shù)?？脊艑W(xué)家用中子射線照相檢驗印度嘎伯達(dá)銅像時發(fā)現(xiàn)，芯子部分是通過釘子連接起來的，釘子上的金屬和像體上的青銅完全不一樣，另外還檢測出銅像的一條腿是后來修補上去的，并且腿內(nèi)芯子破裂部分充滿了粘膠，這是傳統(tǒng)X 射線照相無法檢測到的。在考古發(fā)掘中經(jīng)常會遇到陶瓷碎片，通過中子射線照相可以測定出碎片中微量元素分布及含量，可對當(dāng)時的工業(yè)技術(shù)水平及燒煉技術(shù)水平進(jìn)行有力考證。

4.5 其他領(lǐng)域中的應(yīng)用［24-25］

在農(nóng)業(yè)上，常用中子照相技術(shù)研究植物根系的生長情況，如圖5 所示。檢測植物微量元素的分布，測定樹木的年輪和土壤的濕度;在電子工業(yè)上中子照相對密封器件內(nèi)各元件部位及質(zhì)量檢查具有極高的靈敏度，尤其在繼電器一類功能性部件檢測上是不可缺少的檢測手段，歐共體通過實驗證明中子照相是檢測電子元件的優(yōu)秀工具。在汽車工業(yè)中，可通過中子照相檢查和研究燃料的燃燒過程，有助于提高發(fā)動機效率;在建筑上，中子照相可在不破壞試件的條件下對混凝土的滲水滲油特性進(jìn)行測試。

圖5 植物根莖的中子照相圖像Fig.5 Neutron image of plant rhizome

5 結(jié)束語

中子照相彌補了傳統(tǒng)射線照相的不足，開辟了射線照相技術(shù)研究與應(yīng)用的新領(lǐng)域，可在軍事和國民經(jīng)濟多個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。由于過去我國可用于高質(zhì)量中子照相的反應(yīng)堆中子源資源緊張、檢測成本高昂且檢測地點受限，除部分科研項目外，真正在產(chǎn)品上使用中子照相檢測還不多見。今后國內(nèi)中子照相技術(shù)應(yīng)從以下幾方面開展研究:

1)開發(fā)高注量率、高可靠性的可移動式中子源。我國航空、航天等國家重大工程項目中的產(chǎn)品質(zhì)量控制對現(xiàn)場的中子照相技術(shù)有迫切需求。

2)開展特定產(chǎn)品，如航空發(fā)動機、航天火工品等檢測技術(shù)的應(yīng)用研究。盡管國外有成功應(yīng)用案例，但缺乏工藝細(xì)節(jié)支持。在工業(yè)應(yīng)用中針對檢測系統(tǒng)的特性和產(chǎn)品要求制定檢測靈敏度、檢測質(zhì)量控制工藝。

3)我國中子照相相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相比于歐美尚不完善，需要各研究單位加強合作，盡早制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系。

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