中子检测

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。

p 　　记者7月17日从中国工程物理研究院核物理与化学研究所获悉，我国首台可移动式中子成像检测仪日前由该所研制成功。这种能够在集装箱货车中运输的中子检测设备，可实现待检对象的现场或在线检测，未来在我国航空航天领域重大装备制造中将发挥重要作用。 /p p 　　可用于裂痕探测、材料性能分析等领域的中子成像检测，由于弥补了X射线等其他无损检测方式的不足，正广泛用于重大装备制造领域。但由于传统的中子成像检测设备自身体积较大，难以对大型、超大型装备进行现场检测。 /p p 　　在国家重大科学仪器设备开发专项支持下，中物院核物理与化学研究所龚建研究员率领团队研发的可移动式中子成像检测仪，由小型加速器中子源、准直屏蔽系统、样品承载系统、成像系统、控制系统、数据采集处理系统及氚净化处理系统等组成。设备长6米，占地面积20平方米，仅一个房间大小 总重3.5吨，可以装在一到两辆集装箱货车中运输。对核心的小型加速器中子源，研究团队采用整体小型化和集成化设计思路，对离子源、高压电源及加速管等关键部件进行了特殊设计、验证和研制，满足了中子成像检测对加速器中子源小型化和高产额的应用需求。 /p p 　　“该仪器的成功研制，带动了高产额小型加速器设计制造、中子探测技术，及航空发动机空心涡轮叶片、航天火工品的检测技术进步，打破了国外对这种广泛用于核能、航空航天等高端领域特种检测设备的封锁。”研究团队相关负责人表示，目前该设备已在航空发动机空心涡轮叶片残余型芯检测及航天火工品系列产品质量检测中得到了成功应用。 /p

p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 近日，由中国科学院高能物理研究所研究员梁天骄、上海交通大学物理与天文学院教授陈黎明、中科院物理研究所研究员吴令安组成的研究团队，探索出用于真实物体的单像素中子成像新方法。该方法通过深硅刻蚀和填充高中子吸收截面粉末的方式制作出中子调制器件，使中子束穿过调制器件后在空间上的分布具有预设置的涨落；照射在成像对象上，利用不具有空间分辨能力的单像素探测器收集信号；将该信号和预设置的调制图案通过强度关联还原出成像物体的像，空间分辨率达到100微米。此外，研究人员还结合飞行时间成像模式，使成像的波长（能量）分辨率可达0.4%（@1埃），且每帧图案仅需1000左右的中子计数。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 上述实验在中国散裂中子源20号束线完成，与现有中子透射成像相比，该方法成本低、装置简单，不仅适用于较低强度的紧凑型中子源，而且在上述两方面更加适用于诸如可移动式的激光驱动脉冲中子源，在工业应用、材料科学和生物学上将具有应用前景。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 中子成像利用中子的高穿透性和对轻元素灵敏等特性，在无损检测中具有意义。随着中国散裂中子源、中国先进研究堆等大科学装置的建成，中子成像有望在我国众多领域的研究与应用中发挥重要作用。但大型中子源机时紧张且不具有移动性，限制了其应用。然而，对于紧凑型中子源，其强度又难以在可接受的时间范围内使用传统中子成像的方法得到高空间分辨的二维图像。此外，利用散裂中子源的脉冲时间特征，时间飞行（time-of-flight，ToF）成像模式可进行波长分辨，这对中子源强度提出更高要求，紧凑型中子源更不具备该能力。因此，独创一种利用较低强度、可移动式的脉冲中子源进行空间和时间分辨成像方法，成为中子成像实际应用的关键。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 单像素成像技术通过使用无空间分辨能力的探测器进行物理信号的采样，需要将大量在空间上进行调制的不同波场，按时间顺序投射到目标物体以获取空间分辨，进而重建出高空间分辨率的图像。目前，该方法已在可见光和X射线波段实现。工业应用和生物医学等领域希望使用较弱的中子源以实现高质量的中子成像，由此而催生了单像素中子鬼成像技术需求。相关研究成果在线发表在Science Bulletin上，高能所曾智蓉和物理所博士生何雨航、黄祎祎为论文的共同第一作者。研究工作得到国家重点研发项目、国家自然科学基金项目、中科院战略性先导科技专项、民用空间项目和科学挑战计划项目的支持。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " a href=" https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927320306265" target=" _self" style=" color: rgb(0, 112, 192) text-decoration: underline " span style=" color: rgb(0, 112, 192) " strong 论文链接& nbsp /strong strong /strong /span /a /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/083c1229-a585-4fe6-9b4e-1250f55d206a.jpg" title=" 图1.jpg" alt=" 图1.jpg" / /p p br/ /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 图1.中子单像素成像实验方案。插图是三维光学显微镜记录的典型调制模式 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202011/uepic/f90e753d-f47c-4338-982d-13db618ff702.jpg" title=" 图2.jpg" alt=" 图2.jpg" / /p p br/ /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 图2.归一化桶探测器信号和重建图像。（a）桶探测器记录的每一帧中子束线强度 上图为束线波动，下面两个线分别为加了字母N和条纹的束线强度；（b）物体N；（c）、（d）常规GI和卷积神经网络（CNN）分别从1024次采样中获取的物体N和图像。（e）条纹物体；（f）、（g）常规GI和CNN分别从512次采样中获取的条纹图像 /p p br/ /p