高能中子照相轉(zhuǎn)換屏性能初步研究

吳 洋 唐 彬 孫 勇 劉 斌 霍合勇 尹 偉

（中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所 綿陽(yáng) 621900）

高能中子的強(qiáng)穿透性決定了高能中子照相技術(shù)是一種很有潛力的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在大尺寸、厚外殼物件的射線檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)，高能中子照相具有較大的優(yōu)勢(shì)，但高能中子極低的探測(cè)效率一直制約著高能中子照相技術(shù)的發(fā)展。近年來(lái)隨著高靈敏度電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）相機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，帶動(dòng)高能中子照相技術(shù)進(jìn)入了一段高速發(fā)展期，美國(guó)、日本、歐洲的研究機(jī)構(gòu)已開(kāi)展了大量的相關(guān)研究工作［1-4］，并初步開(kāi)展了應(yīng)用研究。國(guó)內(nèi)的北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和中國(guó)工程物理研究院等研究機(jī)構(gòu)也開(kāi)展了相應(yīng)的工作［5-10］，取得了初步的進(jìn)展。

一套完整的高能中子照相裝置由中子源、屏蔽系統(tǒng)、中子/可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和光學(xué)成像系統(tǒng)構(gòu)成。高能中子照相專用轉(zhuǎn)換屏就是中子/可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的主要構(gòu)成部件，其探測(cè)效率、固有分辨率等指標(biāo)對(duì)高能中子照相裝置綜合性能有非常顯著的影響，日本科學(xué)家曾針對(duì)適用于2 MeV能量中子的高能中子照相專用轉(zhuǎn)換屏開(kāi)展過(guò)大量研究工作［11］，試制了多種類型的轉(zhuǎn)換屏并對(duì)其有關(guān)性能進(jìn)行了對(duì)比，但目前針對(duì)14 MeV高能中子照相轉(zhuǎn)換屏的相關(guān)研究工作尚未有研究單位開(kāi)展，而轉(zhuǎn)換屏的探測(cè)效率測(cè)定研究也鮮有報(bào)道。轉(zhuǎn)換屏對(duì)高能中子的探測(cè)效率是考量其性能的重要指標(biāo)，但目前國(guó)內(nèi)外均未對(duì)其絕對(duì)發(fā)光的測(cè)量開(kāi)展研究工作，中國(guó)工程物理研究院的中子照相技術(shù)領(lǐng)域研究人員以實(shí)際應(yīng)用性能為切入點(diǎn)，以基于D-T加速器14 MeV高能中子源和CCD相機(jī)成像系統(tǒng)的照相裝置為平臺(tái)，對(duì)塑料閃爍體（Plastic Scintillator，PS）、光纖陣列（Fiber Matrix，F(xiàn)M）、采用聚丙烯和ZnS熒光粉混合壓制熒光屏（Polyethylene-ZnS Converter，PZC）和光纖嵌入式熒光屏（Waveshift Fiber Converter，WFC）的探測(cè)效率進(jìn)行了測(cè)試，獲取了一些很有意義的結(jié)論。

1 高能中子照相轉(zhuǎn)換屏工作機(jī)理及探測(cè)效率定義

高能中子無(wú)法直接被探測(cè)，須通過(guò)轉(zhuǎn)換材料將高能中子轉(zhuǎn)換為光子后，由膠片、CCD相機(jī)或其他光學(xué)圖像采集系統(tǒng)記錄。上文中提到的三種主流的高能中子照相轉(zhuǎn)換屏工作機(jī)理均基于反沖質(zhì)子作用原理，如圖1所示，快中子和轉(zhuǎn)換屏內(nèi)的富氫材料（聚丙烯、環(huán)氧樹(shù)脂等）中氫原子發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生反沖質(zhì)子，反沖質(zhì)子在熒光材料（如硫化鋅）中沉積能量使其發(fā)光，由此實(shí)現(xiàn)了中子到可見(jiàn)光的轉(zhuǎn)換。其作用機(jī)理見(jiàn)圖1。

圖1 高能中子照相轉(zhuǎn)換屏工作機(jī)理Fig.1 Principle of high energy neutron radiography converter

目前業(yè)內(nèi)普遍將中子與轉(zhuǎn)換屏內(nèi)材料發(fā)生核反應(yīng)的概率定義為高能中子照相轉(zhuǎn)換屏的探測(cè)效率，但眾所周知，中子與轉(zhuǎn)換屏內(nèi)材料發(fā)生反應(yīng)后，轉(zhuǎn)換的可見(jiàn)光存在不能傳導(dǎo)入光學(xué)收光系統(tǒng)的可能，在以光學(xué)透鏡組和CCD相機(jī)為基礎(chǔ)的成像系統(tǒng)中，上述情況發(fā)生的概率很大，導(dǎo)致與轉(zhuǎn)換屏內(nèi)材料發(fā)生反應(yīng)的中子并不能全部被后端成像系統(tǒng)探測(cè)到，因此本文認(rèn)為將中子與轉(zhuǎn)換屏內(nèi)材料發(fā)生反應(yīng)的概率定義為其探測(cè)效率存在問(wèn)題，轉(zhuǎn)換屏的探測(cè)效率應(yīng)和后端的光學(xué)成像系統(tǒng)有強(qiáng)相關(guān)，可定義為入射中子束流和轉(zhuǎn)換屏作用后被后端光學(xué)采集系統(tǒng)記錄的概率，即轉(zhuǎn)換屏的絕對(duì)發(fā)光效率。本文的主要內(nèi)容是研究14 MeV高能中子照相系統(tǒng)中典型的CCD科學(xué)相機(jī)耦合轉(zhuǎn)換屏的探測(cè)效率評(píng)估技術(shù)。

2 高能中子照相轉(zhuǎn)換屏性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置

實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)為中國(guó)工程物理研究院的高能中子照相系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由中子源、屏蔽體、CCD成像系統(tǒng)三大部分構(gòu)成，中子源是核物理與化學(xué)研究所的D-T加速器，成像系統(tǒng)為轉(zhuǎn)換屏光學(xué)耦合數(shù)字CCD相機(jī)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

中子源產(chǎn)生14 MeV高能中子，產(chǎn)額約1011n·s-1，中子到達(dá)轉(zhuǎn)換屏被轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光信號(hào)，CCD相機(jī)將光學(xué)圖像信號(hào)換為數(shù)字圖像信號(hào)，傳送給圖像采集處理分析系統(tǒng)，后者對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理分析和判讀。

D-T加速器中子源產(chǎn)生的中子發(fā)射角度基本為各向同性，因此轉(zhuǎn)換屏上中子注量率 Ip（cm-2·s-1）如式（1）：

式中：I0表示中子源源強(qiáng)，s-1；L表示中子源和轉(zhuǎn)換屏的距離，cm；θ表示該投影像素上的中子發(fā)射方向與中子面源法線方向的夾角。

圖2 高能中子照相裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of high energy neutron radiography system

典型的CCD相機(jī)耦合轉(zhuǎn)換屏成像系統(tǒng)，如圖3所示，系統(tǒng)內(nèi)主要包括轉(zhuǎn)換屏、光學(xué)透鏡系統(tǒng)、CCD相機(jī)、外圍系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。入射中子束給定情況下，考慮透鏡組有效通光孔對(duì)物面上某點(diǎn)張開(kāi)的立體角：

圖3 CCD數(shù)字成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Schematic diagram of digital CCD imaging system

式中：f為透鏡組的焦距，cm；d為有效通光孔徑，cm；H為成像視場(chǎng)高度，cm；h為探測(cè)器芯片高度，cm；D為透鏡相對(duì)孔徑，即光圈數(shù)f/d；μ為物距，cm。

經(jīng)推導(dǎo)，轉(zhuǎn)換屏的中子轉(zhuǎn)換效率為：

式中：Ip為轉(zhuǎn)換屏處中子注量率，cm-2·s-1；C為單個(gè)成像像素上的灰階值C（無(wú)樣品部位）；n為單個(gè)中子激發(fā)的光子數(shù)；η為光子傳出熒光屏效率；Pmir為反射鏡反射率；Plen為鏡頭透光效率；p為CCD芯片沿邊長(zhǎng)的像素值；gca為芯片增益；QEca為芯片的量子效率，峰值波長(zhǎng)的量子效率95%；Ffill為芯片填充效率，最高可達(dá)100%；Drange為A/D轉(zhuǎn)換范圍，最高灰階等級(jí)，16 bit合65 535；Fcap為滿阱電子數(shù)；tp為曝光時(shí)間，s。

反射鏡反射率92%；鏡頭透光效率66%；測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置中采用的CCD相機(jī)為PI生產(chǎn)的液氮深制冷科學(xué)級(jí)相機(jī)，其芯片沿邊長(zhǎng)像素值2 048；芯片增益1；芯片量子效率95%；芯片填充效率接近100%；模/數(shù)轉(zhuǎn)換范圍0～65 535；滿阱電子數(shù)100 000。

對(duì)于含氫材料和ZnS熒光粉混合壓制屏中單中子激發(fā)的光子數(shù)n的數(shù)值，目前尚未有相關(guān)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展，俄羅斯的研究人員就此曾開(kāi)展過(guò)理論研究［12］，單個(gè)中子在熒光屏內(nèi)激發(fā)的光子數(shù)為135 000［1］，光子在熒光屏內(nèi)的傳播近似為指數(shù)衰減，光學(xué)線衰減系數(shù)μp為1.33 mm-1，依據(jù)光學(xué)原理可知，約86%的光子是在中子穿入熒光屏2/μp=0.75 mm深度產(chǎn)生的，故對(duì)于實(shí)驗(yàn)中采用的厚度為d的熒光屏，其光子傳出效率可近似表達(dá)為：

實(shí)驗(yàn)中采用的熒光屏厚度d=2.68 mm（取5個(gè)測(cè)量點(diǎn)的平均值），則其光子傳出效率為20.92%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是測(cè)試壓制熒光屏的探測(cè)效率并將其和光纖植入型轉(zhuǎn)換屏、塑料閃爍體（型號(hào)：ST401）以及光纖陣列的效率進(jìn)行對(duì)比，由此即可基本明確各類轉(zhuǎn)換屏在CCD系統(tǒng)中的中子探測(cè)效率。

實(shí)驗(yàn)分三步進(jìn)行：第一部分測(cè)試壓制熒光屏的探測(cè)效率；第二部分測(cè)試各類不同的轉(zhuǎn)換屏相對(duì)效率，由此標(biāo)定其本征探測(cè)效率；第三部分測(cè)試不同類別的轉(zhuǎn)換屏空間分辨率性能，其中第一和第二部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，第三部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖4 不同轉(zhuǎn)換屏成像結(jié)果 (a)PZC，(b)正排WFC，(c)錯(cuò)排WFC，(d)PS，(e)FMFig.4 Imaging result of different converter(a)PZC，(b)Align arrange WFC，(c)Stagger arrange WFC，(d)PS，(e)FM

圖5 鐵樣品成像結(jié)果及對(duì)應(yīng)截面處灰階曲線(MTF=10%)(a)WSC，(b)PZC，(c)PSFig.5 Imaging result of steel sample with grey scale curve at slot(MTF=10%)(a)WSC，(b)PZC，(c)PS

第一部分實(shí)驗(yàn)中，加速器中子源靶點(diǎn)和轉(zhuǎn)換屏的距離為300 cm，中子源產(chǎn)額基本穩(wěn)定在5×1010n·s-1，曝光時(shí)間tp=1 200 s。D-T靶14 MeV高能中子源的出射方向?yàn)楦飨蛲裕蕢褐茻晒馄两邮艿闹凶幼⒘柯蔍p=5×1010/（4×π×3002）=4.42×104s-1·cm-2。壓制熒光屏發(fā)光后CCD相機(jī)記錄圖像灰階約為C=288，由式（3）可得出壓制熒光屏探測(cè)效率Psc=0.71%。

第二部分實(shí)驗(yàn)是對(duì)壓制熒光屏、塑料閃爍體、閃爍光纖陣列等高能中子照相可用的轉(zhuǎn)換屏進(jìn)行探測(cè)效率測(cè)試，本部分實(shí)驗(yàn)中各種轉(zhuǎn)換屏實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件和方法與第一部分實(shí)驗(yàn)相同，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得各轉(zhuǎn)換屏產(chǎn)生的灰階結(jié)合第一部分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出各類轉(zhuǎn)換屏的探測(cè)效率，即根據(jù)單個(gè)中子產(chǎn)生的灰階比例得出各轉(zhuǎn)換屏的探測(cè)效率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。因?yàn)闇y(cè)試的各類轉(zhuǎn)換屏厚度不同，而厚度又與其探測(cè)效率正相關(guān)，為全面分析各類轉(zhuǎn)換屏的探測(cè)效率，本文又對(duì)其單位厚度探測(cè)效率進(jìn)行了計(jì)算，即表1中的歸一到1 mm探測(cè)效率，結(jié)果表明：錯(cuò)排光纖的探測(cè)效率較正排光纖高20%，另外兩種光纖轉(zhuǎn)換屏的探測(cè)效率均高于壓制熒光屏40%以上，都低于2 cm厚的塑料閃爍體，但對(duì)單位厚度轉(zhuǎn)換屏而言，3 mm厚的聚丙烯和ZnS熒光粉混合壓制熒光屏最高，而10 cm后的光纖陣列最低。

表1 各種轉(zhuǎn)換屏探測(cè)效率對(duì)比Table 1 Efficiency of different converter

第三部分旨在測(cè)試光纖轉(zhuǎn)換屏和壓制熒光屏以及塑料閃爍體的分辨率。實(shí)驗(yàn)中采用分辨率較好的1 mm厚壓制熒光屏、2 cm厚ST401塑料閃爍體和1 cm厚光纖轉(zhuǎn)換屏，光纖轉(zhuǎn)換屏的光纖間距1 mm，光纖直徑0.5 mm，采用國(guó)產(chǎn)光纖制備、基材成分為富氫材料與熒光粉重量比1：1。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試樣品為開(kāi)有不同寬度對(duì)縫的鐵樣品。鐵樣品厚度40 mm，樣品內(nèi)線對(duì)寬度為5～0.5 mm不等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示（調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function，MTF），可理解為一個(gè)特定空間頻率的相對(duì)對(duì)比度，人眼對(duì)小于10%的MTF不敏感，故這里取MTF=10%）。實(shí)驗(yàn)中源-屏距為137 cm，樣品與轉(zhuǎn)換屏緊貼，光纖轉(zhuǎn)換屏成像參數(shù)為3 min×12次，PPC成像參數(shù)為5 min×12次，ST401成像參數(shù)為1 min×12次。成像結(jié)果表明：除2 cm厚ST401外，1 cm厚光纖屏和1 mm厚度壓制熒光屏均可分辨樣品上1 mm的線對(duì)；成像結(jié)果灰階曲線表明：采用混壓熒光屏獲取的線對(duì)圖像，其對(duì)比度高于采用光纖屏獲取的線對(duì)圖像，說(shuō)明該屏在極限分辨率上要優(yōu)于光纖屏；ST401由于為體發(fā)光，其分辨率低，同時(shí)由于成像時(shí)間較短和閃爍體對(duì)γ射線非常敏感，相對(duì)噪聲也高于其余兩種屏。

4 結(jié)語(yǔ)

1）光纖轉(zhuǎn)換屏內(nèi)部光纖的植入方式對(duì)其探測(cè)效率影響較大，錯(cuò)排光纖較正排光纖效率提升約20%；

2）因測(cè)試用的塑料閃爍體厚度較光纖轉(zhuǎn)換屏大一倍，其測(cè)試效率雖比光纖轉(zhuǎn)換屏高，但歸一到相同厚度后其絕對(duì)效率低于光纖轉(zhuǎn)換屏，而壓制熒光屏厚度超過(guò)3 mm后因自吸收效應(yīng)其探測(cè)效率會(huì)下降，故各類轉(zhuǎn)換屏中光纖轉(zhuǎn)換屏效率最高，塑料閃爍體次之，壓制熒光屏最低；

3）壓制熒光屏在中子束流準(zhǔn)直比相同的情況下分辨率最高（優(yōu)于1 mm），光纖轉(zhuǎn)換屏次之，塑料閃爍體最差；

4）理論上增大光纖轉(zhuǎn)換屏厚度可進(jìn)一步提升其效率，該類轉(zhuǎn)換屏在分辨率和效率兩方面達(dá)到了較好的平衡，壓制熒光屏可用于對(duì)分辨率要求較高的高能中子照相場(chǎng)景，而塑料閃爍體僅適用于強(qiáng)中子源、大準(zhǔn)直比條件下的高能中子照相，且其對(duì)γ射線的高敏感性會(huì)對(duì)成像質(zhì)量有較大影響。