热中子成像技术：从胶片到实时系统的探测方法与质量控制

在中子射线检测领域，热中子因其独特的材料穿透与衰减特性，成为揭示样品内部结构的关键探针。然而，中子本身不带电荷，无法直接作用于常规的成像介质。这就引出了一个核心的技术问题：我们如何才能“看见”中子，并将其分布转化为一幅高清晰度的图像？当前，主流的技术路径涵盖了射线照相胶片、闪烁器以及迹蚀探测器等多种方法，每种方法都在精度、速度和应用场景之间做出了不同的权衡。

1. 射线胶片成像法：经典方法的两种实现路径

利用射线胶片进行成像是最经典的中子照相技术。但中子与胶片乳胶的直接相互作用极为微弱，乳胶中的银含量远不足以有效吸收中子，若直接曝光，可能耗费数小时才能得到一张勉强可用的图像。为此，工程实践中必须引入“转换屏”——一种能够高效吸收中子并释放出次级辐射（如电子、γ射线）的薄层材料，由这些次级辐射来使X射线胶片感光。根据曝光流程的不同，该方法分为直接曝光法和间接曝光法。

1.1 直接曝光法

在工业无损检测中，采用钆（Gd）转换屏的直接曝光法因其操作便捷而应用广泛。典型的钆转换屏由一层厚度在 25~127μm 的钆箔与屏基底构成。检测时，将单张钆屏与低速单乳胶层胶片的乳胶面紧密贴合。当受到中子轰击时，钆会发射出低能电子，使胶片乳胶感光。

• 性能参数：典型的曝光量约为 3 × 10⁹ n/cm²。若改用快速X射线胶片，曝光量可降至约 10⁸ n/cm²。此法能实现极佳的空间分辨率，可达 10μm 级别。在检测25mm厚的钢材时，能够分辨出约2%的厚度差异。
• 优化与权衡：为了提升感光速度，可以采用双乳胶层胶片与前后两张钆屏（如前屏6μm，后屏50μm）的组合。然而，这种配置会牺牲部分分辨率，因为双乳胶层对中子束中伴生的γ或X射线更为敏感，容易在胶片上产生灰雾，影响图像的清晰度。

1.2 间接曝光法

间接曝光法，或称转移法，利用某些材料俘获中子后会产生感生放射性的原理。其操作分为两步：首先，仅将转换屏置于试件后方，用穿过试件的中子束进行照射“激活”；随后，在暗室中将这张带有放射性的转换屏与胶片紧密贴合，屏自身衰变发射的β射线或γ射线使胶片感光。

• 核心优势：该方法最大的优点在于胶片本身不处于主中子束中。这意味着图像完全不受来自放射性试件、中子-试件相互作用或中子源本身γ射线的干扰，从而获得背景极为干净、无灰雾的图像。因此，它成为检测反应堆乏燃料等强放射性材料的理想选择。

• 局限性：其缺点也显而易见。两步式的流程使得总耗时远长于直接法。转换屏的活度（s）随照射时间（T）呈指数增长，其关系可由下式描述：

  s = φσN(1 - e^-λT)

  此处，φ是中子通量 (n/(cm²·s))，σ是微观中子截面 (cm²)，N是转换屏材料的靶原子数密度，λ是衰变常数 (λ = 0.69/τ，τ为半衰期)。

  该公式揭示了转换屏的活度会逐渐趋于一个饱和值，该值由中子通量和材料截面决定。如果中子通量低于约 10⁴ n/(cm²·s)，转换屏将无法积累足够的能量来产生可用的胶片图像。这使得间接法仅适用于经过充分慢化的高强度中子源。常用的转换屏材料包括铟（In，半衰期约54分钟）和镝（Dy，半衰期约140分钟），厚度通常在 125~250μm。其空间分辨率约为 50μm，在检测25mm厚的钢时，对比度可达1%的厚度差。

2. 闪烁器与实时成像：迈向动态观测

为了克服胶片法耗时长的缺点，基于闪烁器的成像系统应运而生。中子闪烁器通常由中子吸收材料（如¹⁰B或⁶Li）与荧光材料复合而成。当¹⁰B或⁶Li吸收中子后，会瞬时产生带电粒子，这些粒子激发荧光物质发出闪光，形成的光学图像可以直接被胶片记录，或被电子学器件捕捉。

尽管中子闪烁器的成像速度比钆屏快约100倍，但图像的对比度和分辨率通常较差，空间分辨率在50~100μm范围，对钢的对比度约为2%~4%的厚度差。

闪烁器真正的价值在于实现了实时成像。通过中子图像增强器，可以将中子图像转为标准电视摄像机可观测的光学图像。其工作流程如下：试件后的中子图像首先由闪烁屏转换为可见光图像，再由光电发射层转为电子图像，经过电子光学系统聚焦和增强后，最终在荧光输出屏上显示。

图1 用于中子实时成像的电视系统框图

• 应用优势：实时成像系统虽然分辨率低于胶片法，但其快速、可远距离观测以及捕捉动态事件的能力是无与伦比的，例如观察航空发动机内部的燃油流动或钢管中的液流变化。
• 性能表现：在中子强度为 10⁵ ~ 10⁷ n/(cm²·s) 时，系统空间分辨率可达 0.25 ~ 0.5 mm，足以清晰追踪每分钟移动数米的物体。在较低中子强度下（如 10⁴ n/(cm²·s)），图像质量会有所下降，但通过电子积分技术可以有效抑制噪声，改善图像质量。

3. 迹蚀探测器：一种稳健的替代方案

传统胶片法存在一些固有弊端，如必须在暗室中处理，且胶片尺寸易受温湿度影响。迹蚀探测器提供了一种截然不同的解决方案。它由一层介电材料（如硝化纤维素、聚碳酸酯塑料）薄膜与硼或锂转换箔组成。

中子穿过试件后，在转换箔中引发“中子-α粒子”反应。产生的α粒子会轰击介电材料表面，造成微观损伤径迹。随后，通过在特定化学溶液（如苛性钠溶液）中进行蚀刻，这些微观损伤会被放大，形成肉眼可见的蚀坑。

• 独特优点：迹蚀探测器对普通光和X射线不敏感，具有优异的线性响应，且成像累积时间没有限制。这些特性使其拥有良好的空间分辨率（约25μm），在检测放射性材料（如辐照后的反应堆燃料）方面，其性能足以媲美间接曝光法。
• 典型工艺：例如，使用带 ⁶LiF 的硝化纤维素探测器在 10⁸ ~ 10¹⁰ n/cm² 的曝光量下照射，然后在约55°C、65%摩尔浓度的苛性钠溶液中浸蚀4分钟，即可获得清晰的形迹图像。对于25mm厚的铀，可实现约10%厚度差的对比度。

4. 中子射线照相的图像质量评价体系

如何客观、定量地评价一张中子射线照片的质量？美国材料与试验协会（ASTM）为此建立了一套基于图像指示器（IQI）的系统，主要包含射束纯度指示器和灵敏度指示器。

4.1 射束纯度指示器

射束纯度指示器是一个标准化的测试模块，用于量化影响图像质量的各项射线束参数。它由一块聚四氟乙烯基板、嵌入的镉棒、铅盘和氮化硼盘构成（如图2所示）。

图2 中子束纯度指示器

将该指示器与胶片一同曝光后，通过测量底片上不同区域的光学密度，可以计算出以下关键参数：

• 有效热中子含量 (N_C)：反映主要成像信号的强度。
• 有效散射中子含量 (s)：量化散射中子对图像清晰度的影响。
• 有效γ含量 (γ)：评估γ射线造成的灰雾水平。
• 有效电子偶产生含量 (P)：衡量高能γ射线的影响。

这些量化指标不仅用于评估单次检测的图像质量，更重要的是，它们为确保不同时间、不同设备间检测结果的一致性提供了可靠依据。获取准确的密度数据并进行精密计算，对设备和操作人员提出了很高的要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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4.2 灵敏度指示器

灵敏度指示器（如图3所示）则是一个由不同尺寸的孔和缝隙组成的量规，通常与射束纯度指示器一同曝光。

图3 灵敏度指示器

通过目视检查底片，可以直接判断出在不同吸收体厚度下能够分辨的最小缺陷尺寸（孔或缝隙）。结合射束纯度指示器得到的 N_C、s、γ、P 值，ASTM标准对中子射线照相的质量进行了分级。例如，如果在铅阶梯图像上无法看清0.25mm的孔，这强烈暗示γ辐射对曝光的干扰过高，需要对整个检测流程的有效性进行重新评估。