中子成像是一種利用研究堆或加速器中子源對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查的非侵入性技術(shù)。原子能機(jī)構(gòu)項目副主任Molly-Kate Gavello說：“這是一種神奇的工具，在科學(xué)和工業(yè)研究與開發(fā)以及法證學(xué)和文物研究方面具有無限的潛能?！敝凶映上窨捎糜跍y試電機(jī)、減震器和渦輪葉片，可以顯示水如何在有生命的植物體內(nèi)流動，或檢查充滿鐵質(zhì)巖石的恐龍頭骨化石的內(nèi)部情況。

盡管中子成像技術(shù)自20世紀(jì)50年代就開始使用，但直到20世紀(jì)90年代，二維膠片成像一直是主要成像方式。隨著數(shù)字技術(shù)（包括先進(jìn)數(shù)字照相機(jī)）的出現(xiàn)，中子成像現(xiàn)采用計算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)，該技術(shù)使用數(shù)百張從不同角度拍攝的圖像來創(chuàng)建高度詳細(xì)的三維（3D）圖像。

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直到最近，由于技術(shù)和資金方面的原因，使用CT或三維成像技術(shù)進(jìn)行中子成像對于低通量中子源（如低功率研究堆）仍不具有可行性。

低功率下的高質(zhì)量圖像

2021年，布拉格捷克技術(shù)大學(xué)（CTU）的博士生雅娜·馬圖什科娃和她的導(dǎo)師盧博米爾·斯克倫卡展示了在研究堆功率為500瓦的情況下使用CT進(jìn)行中子成像的能力，從而改變了這一局面。

這一突破源于兩個方面的發(fā)展。首先，低成本、高質(zhì)量的天文相機(jī)在此十年前已經(jīng)問世。其次，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)海因茨·邁爾-萊布尼茨研究中子源（FRM II）的研究人員意識到這些新型相機(jī)的潛力，并于2016年展示了首個用于中子層析成像（包括低功率反應(yīng)堆）的迷你設(shè)施。布克哈德·施林格爾帶領(lǐng)的團(tuán)隊在 FRM II 研究堆開發(fā)并建造了一套配備3D打印探測器外殼的低成本、高質(zhì)量的中子成像系統(tǒng)，以及用于先進(jìn)中子斷層成像和射線成像實驗系統(tǒng)（ANTARES）設(shè)施的縮小版專業(yè)控制軟件。新探測器的圖像質(zhì)量與ANTARES設(shè)施通常使用的最先進(jìn)系統(tǒng)相當(dāng)。

馬圖什科娃希望用低功率中子源（如捷克技術(shù)大學(xué)的500瓦VR-1培訓(xùn)反應(yīng)堆）測試中子成像，相比之下，20兆瓦 FRM II 反應(yīng)堆的功率是捷克技術(shù)大學(xué)反應(yīng)堆的4萬倍，因此產(chǎn)生的中子也是捷克技術(shù)大學(xué)反應(yīng)堆的4萬倍。由于新冠疫情的限制，她無法進(jìn)入捷克技術(shù)大學(xué)的設(shè)施進(jìn)行實驗，因此面臨著挑戰(zhàn)。

斯克倫卡聯(lián)系了施林格爾，請他就如何復(fù)制FRM II開發(fā)的低成本系統(tǒng)提供建議，施林格爾通過視頻通話向馬圖什科娃提供了建議，并向她提供了有關(guān)系統(tǒng)設(shè)計和從何處采購必要部件的信息。馬圖什科娃一步步地在自己家里建造了一套中子成像系統(tǒng)，并用可見光對其進(jìn)行了測試。

新冠疫情限制解除后，馬圖什科娃在捷克技術(shù)大學(xué)反應(yīng)堆安裝了她的系統(tǒng)，并成功生成了捷克技術(shù)大學(xué)的第一張數(shù)字中子二維圖像，隨后又在500 瓦的功率下照射12小時進(jìn)行中子計算機(jī)斷層掃描成像。

馬圖什科娃目前正在改進(jìn)捷克技術(shù)大學(xué)的中子成像系統(tǒng)，這是她博士研究的一部分。該系統(tǒng)主要用于教育目的，但也用于開展研究，例如與布拉格國家美術(shù)館合作檢查文物。

共享技術(shù)和專門知識

FRM II設(shè)施和捷克技術(shù)大學(xué)的經(jīng)驗表明，微型設(shè)施可用于任何中子源，包括功率極低的研究堆。施林格爾說，他的團(tuán)隊隨時準(zhǔn)備免費提供設(shè)計圖和軟件，并在國際上幫助安裝和調(diào)試。

有了三維打印機(jī)制造的部件、縮小到適合筆記本電腦的軟件以及天體攝影相機(jī)價格的下降，整套設(shè)備只需不到5000歐元就能組裝完成，而且運輸方便。2022年，施林格爾和美國愛達(dá)荷國家實驗室的研究科學(xué)家亞倫·克拉夫特帶領(lǐng)原子能機(jī)構(gòu)專家工作組，在智利核能委員會的 RECH-1 研究堆安裝了數(shù)字中子成像系統(tǒng)。施林格爾用手提箱帶來了組件，系統(tǒng)在兩天內(nèi)就安裝完畢。

“原子能機(jī)構(gòu)在為低功率研究堆提供這項技術(shù)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用?！笔┝指駹栒f，“新的靈敏探測器為這些反應(yīng)堆開辟了一個全新的應(yīng)用領(lǐng)域，這些反應(yīng)堆無法為復(fù)雜的中子散射實驗提供足夠的中子。中子成像使它們更容易用于教育、研究和與博物館的合作。”

原子能機(jī)構(gòu)支持與研究堆的技術(shù)合作，包括專家工作組訪問和設(shè)備采購。它還出版中子成像指南，提供地區(qū)培訓(xùn)，并正在擴(kuò)大電子學(xué)習(xí)機(jī)會。2022年，通過原子能機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)，馬圖什科娃在阿根廷 RA-6 研究堆工作了四個月，幫助安裝和測試低成本中子成像系統(tǒng)。

在奧地利塞伯斯多夫的原子能機(jī)構(gòu)中子科學(xué)設(shè)施也安裝和調(diào)試了一個類似的中子-X射線雙系統(tǒng)，目前正用于培訓(xùn)。

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什么是中子成像？

中子成像是一種非侵入式方法，用于檢查不透明物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成。其原理與X射線成像類似。不過，X射線會被金屬等致密材料吸收，而中子束則能穿透大多數(shù)金屬和巖石，并且會被一些輕元素（如硼、碳、氫和鋰）衰減。中子還有助于觀察磁場以及技術(shù)和結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)變。

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