中子照相技術及其在考古中的應用

劉斯禹+郭天超+韓雪+高瑜+郭天飛

摘 要：1932年中子被發現后，中子照相技術也逐步發展起來，成為了與X射線照相互補的重要無損檢測技術，其對于較厚金屬等材料的內部結構成像有著獨特的優勢。隨著技術的發展，中子照相技術應用在了航天、航空、核工業、生物學、考古等領域。本文介紹了中子照相技術的基本原理，中子照相系統的三個主要裝置：中子源、準直器和像探測器。列舉了中子照相技術在考古中的應用。

關鍵詞：中子照相；無損檢測；考古；中子源

0引言

中子照相技術是一種無損檢測技術。其原理是基于中子穿過物體時與原子核發生作用而發生衰減。中子射線衰減規律遵循指數衰減規律：

（1）

式中I為出射的中子強度，I0為入射中子強度，α為樣品對中子的衰減系數，d為樣品在輻射方向的厚度。對于重元素物質，中子的衰減系數較小，可以對較厚的金屬材料實現透射成像[1]。而對于一些原子序數小的元素，其衰減系數反而較大[2]。由于不同元素對中子的衰減系數不同，所以透射中子束中含有了被照射樣品的內部信息，利用相關的影像技術就可得到樣品內部各種材料的空間分布及材料性質的綜合信息，從而實現中子照相。

1中子照相的裝置系統

1.1 中子源

中子源是產生自由中子的裝置。按照中子能量的不同，分為冷中子、熱中子和快中子。而因為熱中子與物質作用的截面較大，且不同物質區分度高，并且一定強度的中子源容易獲得等原因，熱中子照相技術發展得較為成熟，應用較廣。但由于其衰減系數較大，在對較厚的金屬材料成像時圖像不夠清晰[3]。相比之下，快中子由于衰減系數較小，其穿透能力強的特點可以彌補熱中子照相的不足。而國外也在積極發展這項技術[4，5]。

中子源主要有以下幾種：反應堆中子源、加速器中子源、中子管中子源和同位素中子源。其中反應堆中子源產生熱中子，能獲得高精度影像，運行穩定；但造價高，缺乏靈活性，只能依托大型裝置照相。加速器中子源和中子管中子源能產生快中子，可用于快中子照相；將上述源產生的快中子慢化可得到熱中子，即可得到可移動式小型熱中子照相裝置。同位素中子源則產生能量較高的中子束，運行穩定，可移動。

1.2中子準直器

中子準直器是使發散的中子束均勻分布的裝置，經過準直器準直、整形的中子束平行度高。常見的類型有圓管型、多束圓管型、多束平板型、發散型等。好的中子準直器能夠提高圖像的分辨力。

1.3像探測器

中子照相中圖像顯示方法主要有轉換屏—膠片成像法[6]、徑跡蝕刻法、CCD相機中子照相[7]和成像板（IP） [8，9]。其中轉換屏—膠片成像法得到的圖像分辨率高，但需要較長的時間成像，要經過傳統膠片照相的操作過程，數字化不方便。徑跡蝕刻法圖像受γ射線影響小，但圖像對比度差，需用特定的光電技術得到數字影像[2]。CCD 相機中子照相和IP 成像均可得到數字化圖像，但CCD 相機中子照相圖像的質量較低而IP 成像有較高的數字圖像質量。

2中子照相技術在考古中的應用[10，11]

中子照相技術可以探測古代文物的內部構造和制作工藝等信息，是考古學中的重要技術。利用中子照相技術，可以探測到文物用粘膠進行的修補，從而鑒定文物的完好程度，這是X射線照相所無法做到的。利用中子照相技術還可以測定出陶瓷中微量元素分布及含量，可對陶瓷的燒煉技術進行考證。

3結束語

中子照相技術作為一種無損檢測技術，是對X射線照相技術的彌補。而隨著中子照相技術的快速發展，裝置的靈活性越來越重要。若要將我國中子照相技術發展為商業化的技術，則需將中子照相的裝置小型化和可移動化，從而使中子照相技術有用更廣泛的應用[12]。

參考文獻

[1]Hardt P V D， R？ttger H. Neutron Radiography Handbook[M]. 1981.

[2]裴宇陽， 唐國有， 郭之虞. 中子照相技術及其應用[J]. 現代儀器， 2004， 10（5）：17-22.

[3]Fujine S， Yoneda K， Kamata M， et al. Application of imaging plate neutron detector to neutron radiography[J]. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research， 1999， 424（1）：200-208.

[4]Kim K H， Klann R T， Raju B B. Fast neutron radiography for composite materials evaluation and testing 1[J]. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research， 1999， 422（1–3）：929-932.

[5]Mikerov V， Waschkowski W. Fast neutron fields imaging with a CCD-based luminescent detector[J]. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research， 1999， 424（1）：48-52.

[6]Fujine S， Yoneda K， Yoshii K， et al. Development of imaging techniques for fast neutron radiography in Japan[J]. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research， 1999， 424（1）：190-199.

[7]Mikerov V， Waschkowski W. Fast neutron fields imaging with a CCD-based luminescent detector[J]. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research， 1999， 424（1）：48-52.

[8]Sanami T， Baba M， Saito K， et al. Fast-neutron profiling with an imaging plate[J]. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research， 2001， 458（3）：720-728.

[9]Matsubayashi M， Hibiki T， Mishima K， et al. Preliminary examination of the applicability of imaging plates to fast neutron radiography[J]. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research， 2001， 463（1–2）：324-330.

[10]邵澤波. 無損檢測技術[M]. 化學工業出版社， 2003.

[11]Rant J， MilicZ， IstenicJ， et al. Neutron radiography examination of objects belonging to the cultural heritage[J]. Applied Radiation & Isotopes Including Data Instrumentation & Methods for Use in Agriculture Industry & Medicine， 2006， 64（1）：7-12.

[12]錢偉新， 祁雙喜， 王婉麗，等. 中子半影成像技術及其在ICF中的應用[J]. 高能量密度物理， 2011（1）：34-40.