质子射线照相技术：原理、设备与应用探析

质子射线照相，作为一种采用单能带电粒子（质子）对试件进行无损检测（NDT）的先进技术，凭借其独特的物理特性，在特定领域展现出传统X射线无法比拟的优势。其核心在于利用质子与物质相互作用的精细物理过程，从而实现对材料内部微小密度或厚度变化的高度敏感探测。

1. 质子与物质相互作用的核心物理原理

质子作为一种带电粒子，其穿透物质的行为与X射线等光子截然不同。理解其能量损失、散射和核相互作用这三个基本过程，是掌握该技术精髓的关键。

1.1 能量损失与“布拉格峰”

当一束质子射入吸收介质时，其主要通过与介质中原子的轨道电子发生多次库仑相互作用而损失动能。对于能量低于数百MeV的质子，这一过程是主导。能量损失率（或称质量阻止本领） (1/ρ)·dE/dx 主要取决于介质的密度 ρ 和 Z/A 比值（Z为原子序数，A为相对原子质量）。从图1可以看出，在给定能量下，不同元素的质量阻止本领差异不大，这意味着能量损失对材料的原子序数依赖性很弱，而对密度变化极为敏感。

图1 在不同物质中质子的质量遏止功率或能量损失率

质子能量损失的一个显著特征是，随着其速度的降低，能量损失率反而会急剧增加。这导致了一个独特的现象：绝大部分能量在质子即将被“遏止”（停止）前的极短距离内释放。这段质子在介质中穿行的总深度被称为“射程”。

图2清晰地对比了单能质子与X射线的透射曲线。X射线的强度按指数规律随深度增加而衰减，而质子的强度在达到其射程末端之前几乎保持不变，随后在极窄的区域内迅速降为零。这个尖锐的峰被称为“布拉格峰”（Bragg Peak）。正是这个特性，使得在衰减曲线的末端（即边缘射程区域），材料厚度或密度的微小波动，会引起透射质子数量的巨大变化，从而赋予了质子照相极高的探测灵敏度。

图2 单能质子和X射线的典型透射曲线比较

1.2 多重小角散射

质子在穿行过程中，会因与原子核的电场作用而经历无数次微小的随机偏转。这种多重小角散射效应导致原本平行的质子束在穿过靶材后，其出射角度呈现近高斯分布。如图3a所示，这种角度分布的展宽随靶材厚度增加而变大。

图3 多重小角散射对入射在厚靶上非常小平行束的影响

该效应的直接后果是，一束直径极小的入射质子束在穿过吸收体时会发生展宽，如图3b所示。这在一定程度上影响了图像的空间分辨率，但巧妙利用这一现象，也能开发出独特的边缘增强成像技术。

1.3 与原子核的相互作用

当质子动能足够高（通常超过200-300 MeV）时，它与吸收体原子核直接发生非弹性碰撞的概率显著增加。这种相互作用可能导致质子被原子核俘获，或发生大角度散射并损失大量能量。这类事件会使质子束流强度发生类似X射线的指数式衰减。图4展示了质子在到达其射程终点前发生非弹性核碰撞的概率与初始能量的关系。在高能应用中，必须考虑这种效应导致的质子束流衰减。

图4 在一些材料中入射质子能量与其到达静止前受到非弹性核碰撞的概率

2. 质子源与探测系统

实现质子射线照相，需要稳定、能量可控的质子源和高效的探测器。

• 质子源：虽然像 ²¹⁰Po 这样的放射性同位素可以发射α粒子（可视为质子源的一种），但其射程极短（在空气中仅39mm），且常伴有γ射线干扰，不适用于多数无损检测场景。因此，粒子加速器是目前最理想的质子源。特别是频率调制的回旋加速器，能够提供能量足够高、束流强度稳定的质子束，可用于穿透较厚的工件，且运行成本相对经济。从加速器引出的质子束经过磁透镜系统的聚焦和引导，精确地射向待测区域。

• 探测器材：质子图像的记录方法多样。传统的照相胶片（包括黑白、彩色及X射线胶片）可以直接使用。现代探测技术则更多采用电子学方法，例如，使用沉积在玻璃基板上的ZnS(Ag)荧光屏。当质子束轰击荧光屏时，会激发出可见光，再由高灵敏度的电视摄像机或CCD/CMOS相机捕捉，实现图像的实时观测和数字化。

3. 主要应用技术

基于上述物理原理，质子射线照相发展出两种主要的应用模式，分别利用了能量损失和散射效应。

3.1 边缘射程照相：微小缺陷的高灵敏度探测

该技术直接利用了图2所示的布拉格峰陡峭特性。常规的X射线照相在生产条件下，厚度变化探测灵敏度约为0.5%至1.0%，即使在最优化的实验条件下也仅能达到0.2%左右。相比之下，质子边缘射程照相技术即便在早期发展阶段，就已经能够分辨出小至0.05%的厚度变化。

这种超高的灵敏度使其在探测微小缺陷方面具有无与伦比的优势。一个典型的应用是检测航空发动机高温合金涡轮叶片中的微孔（microporosity）。这些微孔对叶片的高温性能和服役寿命构成严重威胁，而常规方法难以有效检出。此外，对于高原子序数材料，由于其对X射线的衰减极强，传统X射线检测也面临困难，而质子照相则能提供一种有效的解决方案。要稳定获得一张信噪比高、结果可靠的图谱，对样品制备、设备参数配置都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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3.2 散射照相：实现边缘增强的独特成像

散射照相巧妙地利用了多重小角散射效应。如图5所示，当一束平行的质子束穿过由两种不同材料（A和B）构成的薄靶时，由于两种材料的散射特性不同，穿过A区的质子束和穿过B区的质子束会产生不同的均方根散射角θ_A和θ_B。

图5 散射射线照相示意图

在距离靶材L处的探测平面F上，由于散射角的差异，在A、B材料的交界处，质子通量会形成一个独特的双相扰动分布，产生一种“亮线-暗线”的边缘增强效果。这种效应能够极大地突显材料的轮廓和边界。图6展示了一张钢制间隙规的质子散射照片，其边缘轮廓因强度不连续而显得异常清晰。

图6 钢制间隙规的质子照相，l为间隙规至胶片距离

这种技术特别适用于那些X射线难以清晰成像的微小部件或低对比度结构。图7是用卢瑟福（Rutherford）质子同步加速器拍摄的丁烷容器的质子散射照片，其内部结构的细节轮廓清晰可见，展示了该技术在工业检测中的巨大潜力。

图7 用于室外的丁烷容器的质子散射照相