14 MeV快中子照相用光纖轉換屏研究

吳 洋，霍合勇，李 航，王 勝，曹 超，孫 勇，尹 偉，劉 斌，唐 彬,*

(1.中國工程物理研究院 核物理與化學研究所，四川 綿陽 621900；2.中國工程物理研究院 中子物理學重點實驗室，四川 綿陽 621900)

快中子(能量超過10 MeV以上的中子)較熱中子和冷中子具有更高的能量和穿透能力，因此快中子照相技術在厚重樣品或熱中子強吸收材料(如U材料)方面彌補了冷中子、熱中子照相技術和其他射線照相技術的不足，具有很大的發展潛力和較好的應用空間[1-8]，但快中子照相技術與相對成熟的熱中子照相技術相比，由于快中子探測效率低、散射影響大以及對某些材料屬性的影響大等難題，具有很高的技術難度，是目前中子照相領域研究的重點和難點。

中子探測技術是快中子照相的關鍵技術。極低的探測效率(1%以下)一直是制約快中子照相技術發展的瓶頸問題，2005年美國的研究人員通過微通道板作為探測器開展了快中子照相實驗[8]，將探測效率提升到5%左右，但該方法由于成本高昂、探測面積小(cm級)等問題，迄今也僅處于探索階段，基本不具備工程化應用的價值。有學者采用氣體探測器和塑料閃爍體耦合光電倍增管開展過相關研究，但都因種種原因效果欠佳，也沒有后續進展的報道。目前主流的快中子照相系統多采用中子-可見光轉換屏通過光學透鏡組耦合科學級CCD或CMOS相機，該類系統具有探測視場大、部件成熟度高、成本相對低廉等優勢。轉換屏的主要作用是將中子轉換為可見光而被探測系統接收成像，其性能對成像效果的影響很大。目前可用于快中子照相的轉換屏有混壓熒光屏、塑料閃爍體、光纖陣列等，基本原理均通過中子轟擊轉換屏內氫元素產生反沖質子后激發熒光物質發光而實現對快中子的探測，因此屏內的材料含氫量、熒光物質光激發特性、屏結構等對轉換屏綜合性能的影響很大。光纖轉換屏作為近年才出現的新型轉換屏，結合了熒光屏的高成像質量和塑料閃爍體的高探測效率，有望在較大程度上提升快中子照相水平，具有很好的發展前景。

移波光纖轉換屏是近年提出的一種新型快中子照相用轉換屏，2003年，日本Matsubayashi等[9]首次提出將光纖盒熒光屏結合作為轉換屏的思路，卻一直未見后續報道，2009年，北京大學開展了相關技術的初步研究，取得了光纖轉換屏耦合CCD相機的快中子照相圖像[10]，但此研究工作主要針對采用該模式進行快中子照相的可行性研究，對于光纖轉換屏本身特性的研究基本未開展。作為一種極具發展潛力的轉換屏技術，光纖轉換屏目前的研究工作開展尚不充分，亟待進一步的研究。本文以D-T加速器為中子源，用ZnS和環氧樹脂以及光纖研制快中子照相光纖轉換屏，耦合科學級CCD數字成像系統，進行快中子數字照相技術研究，進行試制光纖轉換屏和熒光屏性能、成像質量的實驗分析。

1 快中子照相轉換屏的分類

轉換屏對成像效率和質量有決定性影響，因此轉換屏技術研究多年來一直是快中子照相技術研究的重點內容，可用于快中子照相的轉換屏有混壓熒光屏(polyethylene-ZnS converter, PZC)、塑料閃爍體(plastic scintillator, PS)、光纖陣列(fiber matrix, FM)和光纖轉換屏(optical fiber conversion screen, OFCS)等，除塑料閃爍體外，其他3類均無標準產品，塑料閃爍體并非專為快中子照相研發，一般快中子照相系統中采用的塑料閃爍體厚度多在cm量級以上，其體發光特性導致像擴散嚴重，在超高準直比條件下成像空間分辨率僅約2 mm，且塑料閃爍體本身對伽馬射線敏感，故本底伽馬噪聲嚴重，因此塑料閃爍體并不是一種理想的快中子照相用轉換屏。光纖陣列是由塑料閃爍體光纖粘合拼接而成的立方體結構，故也存在伽馬本底高的特性，同時制造成本遠高于塑料閃爍體，另外光纖之間的光子串擾噪聲和光纖邊界偽影難以消除的問題也會較大程度影響成像質量。由富氫材料(聚乙烯、聚丙烯、環氧樹脂等)與熒光材料(多為ZnS(Ag)或Gd2S2O熒光材料)組成的混壓轉換屏一般采用物理加熱混合均勻后，壓制成熒光轉換屏，添加70%左右的ZnS粉、增韌劑和偶聯劑，混合均勻后熱壓或冷壓成型。混壓熒光屏為面發光，因此具有分辨率高、成像效果好的特點，現階段成像分辨率可達0.5 mm左右，另外其采用ZnS作光激活劑，對伽馬不敏感，可有效降低伽馬本底噪聲干擾，但因混壓熒光屏自身不透明，對內部產生光子自吸收現象嚴重，所以該類轉換屏的厚度均在mm量級，導致其探測效率不高，僅為其他類別轉換屏的幾分之一。光纖轉換屏是基于混壓熒光屏發展而來，其通過在混壓熒光屏內植入光纖而使反沖質子激發ZnS產生可見光經轉換屏內的光纖導出，這在較大程度上克服了混壓熒光屏對光的自吸收，故光纖轉換屏的厚度可增至幾cm，很大程度上提升了其探測效率，經測試此轉換屏在厚度相同的情況下，發光效率甚至高于塑料閃爍體，另外光纖轉換屏內部光纖由不透明基材隔離，較大程度解決了光子串擾問題。

2 光纖轉換屏的工作原理及光纖排列方式分析

光纖轉換屏的工作原理為：中子和屏內的含氫材料發生反應產生反沖質子激發ZnS發光，產生的可見光經屏內的移波光纖導出，在較大程度上避免了屏對光的自吸收，在這種情況下熒光屏的厚度可增至幾cm，故移波光纖轉換屏既有較高的探測效率又可獲取較好的成像質量[9]。影響光纖轉換屏探測效率和成像質量的參數有閃爍材料的發光效率，熒光粉的發光光譜與移波光纖的吸收光譜的耦合程度，光纖的直徑、間距、排列方式等。

光纖在熒光屏內可呈正位排列和錯位排列，其中正位排列即光纖排列為正方形，而錯位排列即光纖排列為正三角形。中子轟擊光纖轉換屏后起始發光點在熒光粉內，發光點發出的光在周邊介質內基本呈指數衰減，可近似認為傳入光纖轉換屏內的光纖的熒光大部分來自其鄰近區域，因此光纖密度決定了光纖轉換屏的光輸出效率，正三角形排列的光纖密度約為正方形排列的1.15倍，在制備加工難度相仿的情況下，光纖排布方式應首選錯位排列。

3 光纖轉換屏快中子照相實驗

光纖轉換屏快中子照相實驗基于中國工程物理研究院加速器中子源進行，實驗裝置布局示于圖1。中子源通過氘氚反應產生14 MeV快中子，中子源靶點尺寸為15 mm，產額為5×1010s-1，中子到達轉換屏被轉換為可見光信號，CCD相機將光學圖像信號轉換為數字圖像信號，傳送給圖像采集處理分析系統，后者對采集的圖像進行處理分析和判讀。

圖1 快中子照相裝置結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of fast neutron radiography system

實驗對塑料閃爍體、光纖陣列、采用聚丙烯和ZnS熒光粉混合壓制熒光屏和光纖轉換屏的探測效率進行了測試。實驗中中子源與光纖轉換屏的距離為37 cm，單幅曝光時間為5 min。

實驗結果見圖2和表1。因為測試的各類轉換屏厚度不同，而厚度又與其探測效率正相關，為全面分析各類轉換屏的探測效率，本文又對其單位厚度探測效率進行了計算，即表1中的歸一到1 mm探測效率，結果表明錯排光纖的探測效率較正排光纖高20%，另外兩種光纖轉換屏的探測效率均高于壓制熒光屏40%以上，均低于2 cm厚的塑料閃爍體，但對單位厚度轉換屏而言，3 mm厚的聚丙烯和ZnS熒光粉混合壓制熒光屏最高，而10 cm厚的光纖陣列最低。

a——PZC(經灰度拉伸)；b——正排OFCS；c——錯排OFCS；d——PS；e——FM圖2 不同轉換屏成像結果Fig.2 Imaging result of different converters

表1 各種轉換屏探測效率對比Table 1 Efficiency of different converters

然后測試光纖轉換屏和壓制熒光屏以及塑料閃爍體的分辨率。實驗中采用分辨率較好的1 mm厚壓制熒光屏、2 cm厚ST401塑料閃爍體和1 cm厚光纖轉換屏，光纖轉換屏的光纖間距1 mm，光纖直徑0.5 mm，采用國產光纖制備，基材成分為富氫材料與熒光粉重量比1∶1。

實驗測試樣品(圖3)為開有不同寬度對縫的鐵樣品。鐵樣品厚度40 mm，樣品內線對寬度為0.5～5 mm不等。

圖3 鐵樣品實物圖Fig.3 Photography of iron sample

實驗結果如圖4所示。實驗中源-屏距為137 cm，樣品與轉換屏緊貼，光纖轉換屏成像參數為3 min×12次，PZC成像參數為5 min×12次，ST401成像參數為1 min×12次。成像結果表明，除2 cm厚ST401外，1 cm厚光纖屏和1 mm厚壓制熒光屏均可分辨樣品上1 mm的線對；成像結果灰度曲線表明，采用混壓熒光屏獲取的線對圖像，其對比度高于采用光纖屏獲取的線對圖像，說明該屏在極限分辨率上要優于光纖屏的；ST401為體發光，其分辨率低，同時由于成像時間較短和閃爍體對伽馬射線非常敏感，相對噪聲也高于其他兩種屏。

a——成像結果；b——黑線處灰度曲線 圖4 鐵樣品成像結果Fig.4 Imaging result of iron sample with slot

4 結論

1) 光纖轉換屏內部光纖的植入方式對其探測效率影響較大，錯排光纖較正排光纖效率提升約20%。

2) 因測試用的塑料閃爍體厚度較光纖轉換屏大1倍，其測試效率雖較光纖轉換屏的高，但歸一到相同厚度后其絕對效率低于光纖轉換屏的，而壓制熒光屏厚度超過3 mm后因自吸收效應其探測效率會下降，故各類轉換屏中光纖轉換屏效率最高，塑料閃爍體次之，壓制熒光屏最低。

3) 壓制熒光屏在中子束流準直比相同的情況下分辨率最高(優于1 mm)，光纖轉換屏次之，塑料閃爍體最差。

4) 理論上增大光纖轉換屏厚度可進一步提升其效率，該類轉換屏在分辨率和效率兩方面達到了較好的平衡，壓制熒光屏可用于對分辨率要求較高的快中子照相場景，而塑料閃爍體僅適用于強中子源、大準直比條件下的快中子照相，且其對伽馬射線的高敏感性會對成像質量有較大影響。