中子照相技术及其在无损检测中的应用研究

郭广平，陈启芳，邬冠华

(1.无损检测技术教育部重点实验室(南昌航空大学)，南昌 330063;2.北京航空材料研究院，北京 100095)

0 引言

中子照相技术利用中子与原子核的相互作用成像，在穿透能力、原子序数相近元素的分辨能力等方面有其他无损检测方法所不具备的独特优势。在许多国家，特别是在工业发达的国家中，中子照相技术已在航天、航空、化工冶金、核工业等部门的产品质量控制以及在科学研究和生物科学中得到了广泛的应用，显示了其独特的作用［1］。但中子照相所需要的中子源在造价、环保等方面的高要求，又在很大程度上限制了中子照相技术的推广与应用。

中子照相，与X 射线照相类似，利用中子射线束穿过被检验物体在强度上的衰减变化获取被检物体内部结构或缺陷的图像［2］。但中子的衰减特性与X 射线迥异，X 射线的衰减系数与材料原子序数有一定的关系。材料的原子序数越大、核外电子数越多时，X 射线的衰减系数越大。而中子不带电，它能轻易穿透物质的电子层与原子核发生反应，其衰减系数大小取决于原子核与中子发生的核反应。不同元素原子核对不同能量中子的反应(截面)关系非常复杂，因此中子射线质量衰减系数与物质的原子序数没有确定的函数关系，X 射线和热中子分别与不同元素作用时质量衰减系数对比如图1 所示。

图1 不同元素对热中子和X 射线的质量衰减系数［4］Fig.1 The quality attenuation coefficient of different elements on thermal neutron and X-ray

中子射线能够轻易穿透很多金属材料，但是对于一些轻质元素的衰减反而特别大［3］，因而中子照相能对被金属材料包裹的轻质材料进行检测，例如金属外壳内有机物和无机物的状态;由于不同同位素的热中子质量衰减系数不同，甚至相差很大，所以对于某些元素同位素含量分布或变化也可以采用中子照相检测;中子照相还可以对强放射性试样进行成像，例如反应堆用过的原件棒，这些都是常规射线照相所不能完成的。鉴于中子照相这些独特的性质，中子射线照相可作为X、γ 射线照相的补充，在某些场合是其他方法无法替代和唯一可行的检测方法。

中子照相根据中子能量的不同分为快中子照相、热中子照相、冷中子照相。冷中子能量低于0.005 eV，热中子能量为0.005～0.5 eV，快中子能量在1 keV 以上。因为相对更容易得到足够强度的热中子源以及不同元素或者同位素对于热中子的吸收系数最大，目前在中子射线照相检验技术中广泛应用的是热中子射线照相检验技术［5］。

1 中子射线照相系统

中子照相系统主要由中子源、准直器、像探测器等3 个主要组成部分，如图2 所示。

图2 中子照相系统示意图［3］Fig.2 Schematic diagram of neutron radiography system

由中子源发出的中子经过准直器准直后投射到被检物体上发生衰减，衰减后的中子空间分布被像探测器接收形成被检物体的透射投影图像。中子射线衰减规律遵循指数衰减规律:

式中，I 为透射中子强度，I0为入射中子强度，T 为试样在辐射方向上的厚度，μx为试样对中子的衰减系数。

如果试样不均匀或者有缺陷，则透射中子的强度就会发生变化，利用特定的技术和相关的影像技术记录这些变化就能显示试样内部情况［6］。

中子源:有不同类型，主要有核反应堆中子源、放射性同位素中子源、加速器中子源和中子管中子源等，这些中子源在产生中子的强度上有很大的差异，各具优缺点，不同中子源之间的比较见表1。

截止1997年，用于中子照相的中子源在全世界共有104 个，其中约有75%的中子源是反应堆中子源。反应堆中子源中子产额最高，用于中子照相效果最好，在世界各主要国家得到广泛应用［7］。

尽管反应堆中子源得到的检测图像优异，但其体积庞大、造价高昂以及专业性强，不能实现现场检测和用户自主检测，严重地限制了中子照相技术的进一步推广。从技术推广和应用发展的角度来看，开发一种价格相对低廉、用户容易掌握及成像质量满足用户需求的中子源是中子照相的必然趋势。目前加速器的技术得到较大发展，在一定程度上实现了小型化，其外形尺寸可达到长2 m，宽0.5 m，高1.7 m 以内，中子产额可以达到1011量级，是中子照相的一种较为理想的选择。

准直器:中子源产生的中子需要经过准直器对发散的中子束准直、整形以提高平行度，并将中子束引到被照物体上，准直器的好坏直接影响成像的分辨力，常见的中子准直器有圆管型、多束圆管型、多束平板型、发散型等。

表1 不同中子源之间的比较［2］Table 1 Comparison between different neutron source

像探测器:中子照相中图像显示方法主要有转换屏—X 胶片成像法、径迹蚀刻法、中子实时成像法和中子层析照相法4 种，目前使用最广泛的是中子实时成像法［8］。

2 中子照相技术的发展历史

1932年中子被发现之后，中子照相技术的研究就随之开展起来［9］。中子照相最早的研究工作是在1935年德国首次利用加速器中子源(这种源相当于2～3 g 的Ra-Be 源)产生中子射线研究中子照相，后来由于世界大战的爆发，研究工作受到了影响，直到1947年才公布当时的研究成果。随后的几年相继发表了几篇关于中子成像的研究论文，但是当时中子源的强度非常弱，曝光时间很长，中子成像质量很差，这段时期的研究工作没有很大的实用意义，在以后的一段时间，这方面的工作开展的很少。

1956年首次出现了核反应堆，核反应堆为中子照相提供了高质量的中子源，是中子照相技术迅速发展的一个关键因素。在总结早期中子照相研究工作的基础上，1956年在英国的Harwell 反应堆上第一次得到了高质量的中子照相图像。尽管使用反应堆中子源能得到高质量的中子照相图像，但是当时并没有发现中子照相有何重要应用，因此这项技术缓慢的发展了几年［10］。60年代初期，由于对放射性材料结构检测的迫切需求，众多学者投入到中子照相研究工作中，中子照相技术得以迅速发展并取得了一定的成绩［11］，如:1963年Berger 和Beck 使用中子照相检测具有高放射性的反应堆核燃料，解决了带放射性材料无法检测的难题［12］;1966年Rhoten 和Carey 用中子照相检测小型爆炸装置，确保小型爆炸装置金属部分和非金属部分正确组装［13］;1976年Edenborough 使用中子照相检测航空发动机涡轮叶片残余型芯［14］，解决了叶片残芯难以检测的难题。之后中子照相技术的研究领域逐渐扩大，在中子源上，由反应堆中子源发展到加速器中子源、同位素中子源和次临界装置中子源，实现了可移动式的中子照相装置用于现场检测;在成像方式上，由传统的胶片成像发展到CCD、NIP、非晶硅面板探测器数字成像和中子层析(CT)成像［15］;在中子能量上，由热中子照相拓展到快中子照相和冷中子照相;在应用上，中子照相由工业应用扩展到生物、医学、建筑、食品以及艺术文化作品的鉴定［16］。尽管热中子照相技术的研究已经非常成熟应用也相当广泛，但由于缺少满足中子照相的可移动式中子源以及反应堆中子源使用维护的成本非常巨大，这项技术的研究工作被搁置于一旁［17］。中子照相技术在快中子照相、冷中子照相和中子照相成像技术上仍有很广阔的发展空间。

随着技术的推广和发展，促进了国际间中子照相技术的合作与交流，1981年J.P.Barton 组织举办了第一届世界中子照相大会(WCNR)，到目前为止共召开了10 届世界中子照相大会;1990年MacGillivray 和Brenizer 组织召开了第一届中子照相国际专题会议(ITMNR)，至今已至少召开了7 届，这两项会议记录了几乎所有中子照相技术的相关研究成果［18］。

我国的中子照相技术研究工作始于20 世纪60年代初，由于起步较晚，目前技术相对落后，但很多科研人员通过长期的努力也取得了不少成果。80年代初期清华大学核能技术研究所苗齐田等首批建成和投入使用的反应堆热中子照相系统上对土壤中植物根系的生长情况进行了探索与观察土壤中植物幼苗的连续生长过程;貊大卫对导爆索的典型和可能缺陷进行中子照相实验研究和理论分析，对导爆索药柱人工缺陷进行中子照相实验后得出中子照相技术可以检测导爆索内无药柱、药柱断芯或药柱异常等缺陷。目前国内已经建立的中子照相系统有清华大学901 反应堆、中国工程物理研究院核物理与化学研究所的SPRR-300 反应堆、中国原子能科学研究院的CARR 反应堆和北京大学4.5 MV 静电加速器中子照相系统等，从事中子照相技术研究的有中国工程物理研究院、清华大学、中国原子能科学研究院、西北核技术所、北京大学等单位。

2012年，由中国工程物理研究院核物理与化学研究所牵头，申报科技部重大仪器专项“基于小型加速器中子源的可移动式中子成像检测仪”获得批复。项目将研制可移动式的加速器中子源并在航空发动机叶片及航天火工品等方面进行推广应用。作为合作单位，北京航空材料研究院开展了航空发动机涡轮叶片残余型芯检测技术应用研究。利用中国工程物理研究院的反应堆中子成像系统，在叶片的陶瓷型芯中添加元素钆作为示踪剂，获得了质量极佳的叶片残余型芯图像。目前开展主要工作集中在检测能力的定量描述和图像质量控制技术。

3 中子照相技术的主要标准

以美国为首的主要中子照相研究国家在装置参数测定、参数测定器件以及图像质量评价方法等多个方面建立了国际标准、军用标准，以及行业标准等，如表2 所示。

表2 中子照相主要标准Table 2 Main standard of neutron radiography

虽然我国在技术研究、应用研究以及装置建设等方面取得长足进步，与中子照相技术先进国家间的差距逐步缩小，但除等同采用ISO 11537、ISO 12721 编制国家标准外，应用相关技术标准尚属空白。各研究单位应加强合作与交流争取早日建立我国自己的中子照相相关技术标准，进一步加强中子照相技术的推广和应用工作。

4 中子照相技术的应用

4.1 在航空航天中的应用

航空发动机涡轮叶片是飞机的关键部件，它由蜡模精密铸造而成。叶片制造过程中如果脱芯不完全留下残芯，叶片不能正常散热易导致叶片的失效，严重损害发动机的正常运转。因此通常在叶片制造的过程中，往型芯材料中掺入少量热中子截面非常大的元素(如Gd)作为标记物质提高热中子成像检测的灵敏度［19］，如果叶片中留有残芯，通过中子照相检测，叶片残芯很容易被检测出来，涡轮叶片的热中子图像如图3 所示。据资料报道，台湾核能研究院在ZPRL 反应堆上采用掺钆法最小能检出0.3 mm 大小的残芯［20］，热中子照相检测叶片残芯因其具有很高的灵敏度，目前已证明是最有效的一种残芯检测方法。中子照相检测航空发动机叶片残芯已经商业化，加拿大多伦多的Nray 服务公司已经向全球客户提供中子照相服务。世界主要发动机公司，如罗罗公司、GE 公司及普惠公司等均建立了发动机叶片残余型芯检测的企业标准，并进行产品实物的批量检测。在航天领域，法国规定阿丽亚娜火箭起爆器必须经过中子照相检测。

图3 涡轮叶片的热中子照相图像Fig.3 Thermal neutron image of turbine blade

4.2 在核工业中的应用［21-22］

中子照相在对反应堆核燃料的检测中具有重要的地位。由于核燃料元件中含有大量放射性且其他射线照相方法无法对其进行检测，利用水下中子照相装置采用间接曝光法可以有效检测出核燃料的内部铀芯变形、破裂、熔化等情况，核燃料元件棒的中子图像如图4 所示。中子照相技术还可以对核燃料的尺寸进行测定，采用热中子照相和镝转换屏间接曝光法对核燃料尺寸进行测定，尺寸测量的精度可达38 μm。

图4 5 根核燃料棒的中子照相图像Fig.4 Neutron image of five nuclear fuel elements

4.3 在军事上的应用［1，21］

炸药的主要成分体对X 射线的衰减系数极小，但对于热中子的衰减系数却很大，因此利用中子照相技术可对导火索、子弹、炮弹等内部火药的装药情况(包括密度及其均匀性，有无空隙和夹杂物等)进行全面的检测;对于一些军械及军事装置的重要部件在装配前后要用中子射线照相进行质量检查，以做出安全评价和质量保证。另外从敌方缴获的军事设备中，常常装有自毁性炸药，在对其进行拆卸时，必须使用中子射线照相探明炸药的安放位置和引爆装置的连接情况，以保证拆卸安全。

4.4 在考古中的应用［1，23］

中子射线照相是考证古代文物内部结构和制作工艺等的重要技术。考古学家用中子射线照相检验印度嘎伯达铜像时发现，芯子部分是通过钉子连接起来的，钉子上的金属和像体上的青铜完全不一样，另外还检测出铜像的一条腿是后来修补上去的，并且腿内芯子破裂部分充满了粘胶，这是传统X 射线照相无法检测到的。在考古发掘中经常会遇到陶瓷碎片，通过中子射线照相可以测定出碎片中微量元素分布及含量，可对当时的工业技术水平及烧炼技术水平进行有力考证。

4.5 其他领域中的应用［24-25］

在农业上，常用中子照相技术研究植物根系的生长情况，如图5 所示。检测植物微量元素的分布，测定树木的年轮和土壤的湿度;在电子工业上中子照相对密封器件内各元件部位及质量检查具有极高的灵敏度，尤其在继电器一类功能性部件检测上是不可缺少的检测手段，欧共体通过实验证明中子照相是检测电子元件的优秀工具。在汽车工业中，可通过中子照相检查和研究燃料的燃烧过程，有助于提高发动机效率;在建筑上，中子照相可在不破坏试件的条件下对混凝土的渗水渗油特性进行测试。

图5 植物根茎的中子照相图像Fig.5 Neutron image of plant rhizome

5 结束语

中子照相弥补了传统射线照相的不足，开辟了射线照相技术研究与应用的新领域，可在军事和国民经济多个领域发挥重要作用。由于过去我国可用于高质量中子照相的反应堆中子源资源紧张、检测成本高昂且检测地点受限，除部分科研项目外，真正在产品上使用中子照相检测还不多见。今后国内中子照相技术应从以下几方面开展研究:

1)开发高注量率、高可靠性的可移动式中子源。我国航空、航天等国家重大工程项目中的产品质量控制对现场的中子照相技术有迫切需求。

2)开展特定产品，如航空发动机、航天火工品等检测技术的应用研究。尽管国外有成功应用案例，但缺乏工艺细节支持。在工业应用中针对检测系统的特性和产品要求制定检测灵敏度、检测质量控制工艺。

3)我国中子照相相关技术标准相比于欧美尚不完善，需要各研究单位加强合作，尽早制定相关标准体系。

［1］刘贵民，马丽丽.无损检测技术［M］.北京:国防工业出版社，2009:160-259.

［2］貂大卫，刘以思，金光宇，等.中子照相［M］.北京:原子能出版社，1996:36.

［3］裴宇阳，唐国有，郭之虞.中子照相技术及其应用［J］.新技术应用，2004，12(5):17-22.

［4］中国机械工程学会无损检测分会.射线检测［M］.北京:机械工业出版社，1997:129-130.

［5］Lidija J，Steuwer A，Lehmann.Energy selective neutron radiography in material research［J］.Applied Physics A，2010，99(3):515-522.

［6］Hawkesworth M R，Walker J.Basic principles of thermal neutron radiography［C］// Neutron Radiography Proceedings of the First World Conference，1981:853-860.

［7］Ferenc M.New perspectives from new generations of neutron sources［J］.Comptes Rendus Physique，2007，8(4):909-920.

［8］Thomas A W，Christoph R.X-ray and neutron imaging with colloids［J］.Current Opinion in Colloid ＆ Interface Science，2012，17(1):13-22.

［9］Kobayashi H.A history of basic neutron radiography research at Rikkyo University［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2011，651(1):6-11.

［10］Kaichiro M，Takashi H，Yasushi S，et al.The review of the application of neutron radiography to thermal hydraulic research［J］.Nuclear Instruments and Methods in physics Research A，1999，424(1):66-72.

［11］Berger H.Advances in neutron radiographic techniques and applications:a method for nondestructive testing［J］.Applied Radiation and Isotopes，2004，61(1):437-442.

［12］Richards W J，Barrett J R，Springgate M E，et al.Neutron radiography inspection of investment castings ［J］.Applied Radiation and Isotopes，2004，61(4):675-682.

［13］Rhoten M L，Carey W E.Neutron radiography of pyrotechnic cartridges［J］.Materials Evaluation，1996，24(8):422-424.

［14］ASTM STP 586.Neutron radiography to detect residual core in investment cast turbine airfoils［S］.Philadelphia.

［15］Nares C，Suvit P，Sarinrat W.Neutron radiography using neutron imaging plate［J］.Applied Radiation and Isotopes，2010，68(4-5):662-664.

［16］Masahito M，Masaki K.Development of scintillator for a highframe-rate neutron radiography［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2004，529(1):389-393.

［17］Heidt H，Stade J.Review and prospects of neutron radiography in the FRG［J］.NDT International，1988，21(5):345-347.

［18］Bennett L G I，Lewis W J，Hungler P C.The development of neutron radiography and tomography on a SLOWPOKE-2 reactor［J］.Physics Procedia，2013，43:21-33.

［19］李航，温伟伟，王胜，等.镍合金中铝基残芯的中子标记成像检出灵敏度［J］.核技术，2012，35(1):17-20.

［20］Chia W M，Chuang C Y，Chen C S，et al.Case studies of neutron radiography examination at INER［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，1996，377(23):16-19.

［21］魏国海，韩松柏，陈东风，等.中子照相技术在核燃料元件无损检测中的应用［J］.核技术，2012，35(11):821-826.

［22］张俊哲.中子照相技术及其在核工程中的应用［J］.核动力工程，1991，12(2):92-96.

［23］Joze R，Zoran M，Janka I，et al.Neutron radiography examination of objects belonging to the cultural heritage［J］.Applied Radiation and Isotopes，2006，64(1):7-12.

［24］张鹏，Wittmann F H，赵铁军，等.中子照相技术及其在混凝土材料研究中的应用［J］.混凝土，2009(4):24-29.

［25］Conesa M，Eberhard L，Anders K，et al.Neutron radiography as a tool for revealing toot development in soil:capabilities and limitations［J］.Plant Soil，2009，318(1-2):243-255.