中子计算机断层扫描（CT）技术在核燃料组件检测中的应用原理

对于核燃料组件这类具有强放射性的特殊工业部件，其内部结构的完整性与均匀性直接关系到反应堆的安全运行。如何在其服役前后进行精确、无损的内部探查，一直是核材料科学与工程领域面临的一大挑战。中子计算机断层扫描（CT）技术，特别是其中的间接中子射线照相法，为此提供了一种有效的解决方案。

间接中子射线照相：一种巧妙的成像路径

与直接利用探测器实时成像不同，针对强辐射环境下的核燃料组件检测，通常采用间接中子射线照相法。该方法的核心思路是“先激活、后成像”，从而规避样品自身辐射对成像系统的干扰。

具体操作流程可以分解为以下几个关键步骤，其基本装置如图1所示：

1. 样品布置与中子曝光：将待测的核燃料组件通过其顶端夹具悬挂固定，置于中子源和一块特制的钢质中子探测器屏之间。
2. 共振中子筛选：在进行中子曝光时，会在钢屏前方放置一个隔热中子滤光器。这个滤光器的作用至关重要，它能够滤除中子束中大部分能量的粒子，确保最终用于成像的主要是能量为 1.4 eV 的钢共振中子。选择特定能量的中子是为了利用其与待测材料特定核素发生共振吸收的效应，从而获得衬度极佳的图像。
3. 探测器屏激活与图像转移：经过中子束照射后，钢屏被“激活”，其内部原子核因吸收中子而变得不稳定。此时，迅速将这块被激活的钢屏从中子束中移出，立即与一张X射线胶片紧密贴合，并一同放入真空胶片盒中。
4. 二次辐射成像：在胶片盒内，被激活的钢箔会发射出次级辐射（通常是β射线或γ射线），这种辐射将使紧贴的X射线胶片感光。经过标准的显影、定影等化学处理后，一张记录了燃料组件内部中子衰减信息的层析图像（或称射线照相底片）便诞生了（如图2所示）。

图1 用于辐射试样铟共振中子层析示意图

图2 核燃料组件模型及中子层析图

从二维投影到三维重构：数据的采集与数字化

单张层析图像仅仅是物体在某个角度下的二维投影。要获得其内部的三维结构信息，就必须进行计算机断层扫描，即CT。

这一过程始于获取多角度的射线照相底片。通过围绕中心轴线精确地转动燃料组件，在多个不同的径向角度下重复上述成像过程。通常，需要在 0°~180° 的范围内，以均匀的步长采集约75个角度的投影数据。

获取一系列底片后，下一步是至关重要的数字化环节。底片上的模拟图像信息（光学密度）必须被转换成计算机能够处理的数字信息。这一任务由扫描显微光密度计来完成。它以光栅扫描的方式，逐行逐点地读取整张底片的图像信息。典型的扫描参数可能包括：每条扫描线包含1200个像素点，扫描速度约为 55 mm/s。

通过采集并处理在一系列底片上同一高度位置的线扫描数据，计算机算法便能重构出该高度的横截面图像。对每张底片上的整个图像进行全面的数字化处理，最终能够生成整个试样的三维光学密度分布图，从而以立体、直观的方式揭示核燃料组件的内部结构、材料分布及潜在缺陷。

整个流程从特定能量中子的筛选，到间接成像，再到多角度采集和高精度数字化，每一步都对设备精度和操作专业性提出了极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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