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近日，據(jù)中國科學(xué)院官網(wǎng)報(bào)道，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院核能安全技術(shù)所研究團(tuán)隊(duì)基于強(qiáng)流氘氚中子源科學(xué)裝置HINEG，與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開展了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片殘芯中子照相試驗(yàn)研究，成功檢測出了葉片內(nèi)部的微量殘芯，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的制造檢測工藝提供了重要支撐。

渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力的關(guān)鍵部件，葉片熔模鑄造過程中殘留的陶瓷型芯會(huì)降低其冷卻性能，甚至阻塞冷卻通道，導(dǎo)致葉片過熱損壞，從而嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)安全。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片內(nèi)部殘芯的檢測極為重要。此次，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片內(nèi)部的殘芯的檢測就是利用基于強(qiáng)流氘氚中子源裝置HINEG的中子照相技術(shù)。在這里大家肯定會(huì)問強(qiáng)流氘氚中子源裝置HINEG是什么，中子照相技術(shù)是什么，它們兩者是什么關(guān)系？簡單來說，中子照相是一門技術(shù)，它是利用中子穿透物質(zhì)從而檢測物質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)。而要實(shí)現(xiàn)這門技術(shù)就必須提供穩(wěn)定的中子，這里強(qiáng)流氘氚中子源裝置HINEG就是提供中子的中子源。

強(qiáng)流氘氚中子源裝置HINEG（中子源）

強(qiáng)流氘氚中子源裝置HINEG是一種產(chǎn)生強(qiáng)流中子束的設(shè)備，是在2018年1月由中科院核安全技術(shù)研究所FDS鳳麟核能團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)的。其產(chǎn)生的中子源強(qiáng)度在現(xiàn)行同類裝置中排名第一。中子靶是裝置HINEG的核心系統(tǒng)之一，強(qiáng)流離子加速器產(chǎn)生高功率氘離子束轟擊含有氚的中心靶，在中心靶上發(fā)生氘氚核變反應(yīng)產(chǎn)生中子。為了產(chǎn)生強(qiáng)流的中子束，中心靶需要承受高功率離子束的轟擊，帶來靶上高強(qiáng)熱流散出難題。此時(shí)，HINEG中子靶承受的熱流密度是太陽表面熱流密度的3倍。如果散熱問題解決不好，靶溫度迅速升高，其內(nèi)含有的氚會(huì)快速釋放，就無法實(shí)現(xiàn)中子的持續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)生。靶溫升高過快時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)瞬間被熔穿燒毀的情形。為了解決該問題，F(xiàn)DS鳳麟核能團(tuán)隊(duì)發(fā)明了陣列射流耦合強(qiáng)剪切場的高效散熱技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了高效散熱，使裝置HINEG實(shí)現(xiàn)中子的持續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)生。

中子照相（技術(shù)）

中子照相監(jiān)測技術(shù)是利用發(fā)射散角很小的均勻的準(zhǔn)直中子束垂直穿透需要檢測的物體來進(jìn)行檢測的方法。由于中子不帶電荷，因此在穿透物體時(shí)，與原子核外圍的電子不發(fā)生電子庫倫力的作用，中子可以輕易的穿過電子層，直接擊中原子核發(fā)生核反應(yīng)，如：吸收反應(yīng)、裂變反應(yīng)或散射反應(yīng)等。這種反應(yīng)越強(qiáng)烈，中子強(qiáng)度減弱得越多，使得穿透的中子束的強(qiáng)度發(fā)生相應(yīng)的減弱。這種減弱強(qiáng)度大小與物體內(nèi)部單位體積內(nèi)的核素性質(zhì)、核素種類以及原子核的密度有關(guān)，同時(shí)也與被穿透物體的厚度有關(guān)。因此穿透中子束的強(qiáng)度變化受到物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，如果我們對(duì)這種強(qiáng)度變化可以用圖像檢測器加以記錄和顯示，此時(shí)圖像的信息可以反映物質(zhì)內(nèi)部核素，密度和厚度的變化，即實(shí)現(xiàn)中子照相。

中子照相技術(shù)具有很多獨(dú)特的特征和功能。

一般情況下，普通金屬與中子的核反應(yīng)的截面都比較小，而大多數(shù)輕材料是碳?xì)浠衔铮渲械臍湓訉?duì)中子具有較大的散射截面，從而使中子的穿透強(qiáng)度大為減弱。因此，當(dāng)需要檢測重金屬內(nèi)輕質(zhì)材料的分布狀態(tài)時(shí)，中子照相檢測可以達(dá)到比較高的靈敏度。這是X射線照相檢測無法比擬的。如：中子照相技術(shù)可以清晰的顯示出彈殼內(nèi)裝藥量的多少，而X射線照相無法做到。

對(duì)于原子核中質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的同位素來說，雖然它們的物理和化學(xué)性質(zhì)略有區(qū)別，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)區(qū)別很大，如：鋰—6和鋰—7、鈾—235和鈾—238，它們兩兩之間互為同位素，但是核反應(yīng)的截面積卻相差百倍，所以此時(shí)我們就可以利用中子照相技術(shù)很容易區(qū)別鋰—6和鋰—7、鈾—235和鈾—238。

對(duì)于放射性物質(zhì)進(jìn)行X射線照相時(shí)，物體自身放出的射線可以直接在X射線膠片上感光，造成嚴(yán)重的干擾“云霧”使透視圖片“強(qiáng)滅”，使得檢測工作無法實(shí)現(xiàn)。而中子照相技術(shù)采用對(duì)中子反應(yīng)截面較大的半衰期稍長的轉(zhuǎn)換屏來記錄中子圖像，從而將各種射線消除掉，實(shí)現(xiàn)中子透視圖像顯示。如：燃燒后期的核燃料元件，其放射性及其強(qiáng)大，如果要檢測它的內(nèi)部缺陷和燃耗情況，只有中子射線照相才能進(jìn)行無損檢驗(yàn)。

兩者的關(guān)系

實(shí)現(xiàn)中子照相需要中子源裝置提供中子，同時(shí)按照產(chǎn)生中子能量從低到高可以分為冷中子照相，熱中子照相與快中子照相，隨著能量的增加穿透力能力逐步增強(qiáng)而檢測對(duì)比度與分辨率逐步降低。強(qiáng)流氘氚中子源裝置HINEG可以提供穩(wěn)定高密度的中子流，但是中子的能量高，需要在源的周邊圍以適當(dāng)?shù)穆镔|(zhì)，使快中子慢化為熱中子。因?yàn)榭熘凶哟┩改芰?qiáng)，在照相過程中難以探測，圖像的分辨率低。而熱中子與物質(zhì)的作用截面大、不同材料之間截面相差大，同時(shí)熱中子容易探測。慢化的同時(shí)利用直準(zhǔn)器使源發(fā)射的中子形成平行的或發(fā)散的中子束，提高照片的分辨率。

所以本次中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院核能安全技術(shù)所研究團(tuán)隊(duì)將HINEG產(chǎn)生的強(qiáng)而穩(wěn)定的中子源，慢化準(zhǔn)直以后實(shí)現(xiàn)高靈敏度且快速的熱中子源的熱中子照相檢測，利用HINEG熱中子照相終端，可清晰地檢測出葉片內(nèi)部質(zhì)量為mg量級(jí)的殘芯，顯示出了HINEG優(yōu)良的中子照相分辨特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為該型號(hào)渦輪葉片的制造檢測工藝提供了重要數(shù)據(jù)參考。

采用不同中子源的中子照相技術(shù)

實(shí)現(xiàn)中子照相技術(shù)，不僅可以利用強(qiáng)流氘氚中子源裝置HINEG作為中子源。近期，中國原子能科學(xué)研究院核物理研究所副研究員韓松柏利用位于北京房山區(qū)的中國先進(jìn)研究堆（CARR）（2010年5月首次臨界）也開展了中子照相實(shí)驗(yàn)。與裝置HINEG利用強(qiáng)流離子加速器產(chǎn)生高功率氘離子束轟擊含有氚的中心靶從而發(fā)生氘氚核變反應(yīng)產(chǎn)生中子不同，中國原子能科學(xué)技術(shù)研究所的中國先機(jī)研究堆（CARR）采用裂變的方式（以鈾(或钚)作核燃料實(shí)現(xiàn)受控核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）得到中子。此次韓松柏開展中子照相實(shí)驗(yàn)的高通量中子源功率高達(dá)60MW，中子通量高，其規(guī)模目前排名亞洲第一、世界第三。堆芯發(fā)生裂變產(chǎn)生中子，從孔道穿出，向四面發(fā)散。由于中子源的建設(shè)成本很高，通過使用導(dǎo)管把中子引入到另一個(gè)大廳，可以損失很少的中子，以更好地利用每一個(gè)中子。

中國原子能科學(xué)研究院同中航工業(yè)北京航空材料研究院等12家單位開展中子成像相關(guān)研究。這些研究很好的體現(xiàn)了中子照相技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，如：

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片脫芯測試——通過圖像增強(qiáng)技術(shù)可以很可靠地觀測到航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片脫芯測試過程是否脫芯完全；

干電池與鋰離子電池中子照相——可清晰地觀測到干電池與鋰離子電池在滿電與耗盡時(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和狀態(tài)；

壓力容器鋼焊接——利用能量選擇中子成像研究壓力容器鋼焊接，可細(xì)致微觀地研究結(jié)構(gòu)相變、織構(gòu)以及進(jìn)行應(yīng)力分析；

油滲沙4D測量，砂巖自發(fā)吸滲，混凝土裂縫毛細(xì)吸附——X射線無法觀測水的運(yùn)動(dòng)過程，而中子成像可以觀測到這些行為；

混凝土鋼筋銹蝕中子CT測量——將混凝土鋼筋放在配置好的一個(gè)腐蝕液里，每過一段時(shí)間進(jìn)行一個(gè)檢測，中子成像不但可以把鋼筋的圖層剝離出來，可以把鐵銹的圖層剝離出來，從而觀測到腐蝕演化的進(jìn)程。

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