中子照相技术及其在考古中的应用

刘斯禹+郭天超+韩雪+高瑜+郭天飞

摘 要：1932年中子被发现后，中子照相技术也逐步发展起来，成为了与X射线照相互补的重要无损检测技术，其对于较厚金属等材料的内部结构成像有着独特的优势。随着技术的发展，中子照相技术应用在了航天、航空、核工业、生物学、考古等领域。本文介绍了中子照相技术的基本原理，中子照相系统的三个主要装置：中子源、准直器和像探测器。列举了中子照相技术在考古中的应用。

关键词：中子照相；无损检测；考古；中子源

0引言

中子照相技术是一种无损检测技术。其原理是基于中子穿过物体时与原子核发生作用而发生衰减。中子射线衰减规律遵循指数衰减规律：

（1）

式中I为出射的中子强度，I0为入射中子强度，α为样品对中子的衰减系数，d为样品在辐射方向的厚度。对于重元素物质，中子的衰减系数较小，可以对较厚的金属材料实现透射成像[1]。而对于一些原子序数小的元素，其衰减系数反而较大[2]。由于不同元素对中子的衰减系数不同，所以透射中子束中含有了被照射样品的内部信息，利用相关的影像技术就可得到样品内部各种材料的空间分布及材料性质的综合信息，从而实现中子照相。

1中子照相的装置系统

1.1 中子源

中子源是产生自由中子的装置。按照中子能量的不同，分为冷中子、热中子和快中子。而因为热中子与物质作用的截面较大，且不同物质区分度高，并且一定强度的中子源容易获得等原因，热中子照相技术发展得较为成熟，应用较广。但由于其衰减系数较大，在对较厚的金属材料成像时图像不够清晰[3]。相比之下，快中子由于衰减系数较小，其穿透能力强的特点可以弥补热中子照相的不足。而国外也在积极发展这项技术[4，5]。

中子源主要有以下几种：反应堆中子源、加速器中子源、中子管中子源和同位素中子源。其中反应堆中子源产生热中子，能获得高精度影像，运行稳定；但造价高，缺乏灵活性，只能依托大型装置照相。加速器中子源和中子管中子源能产生快中子，可用于快中子照相；将上述源产生的快中子慢化可得到热中子，即可得到可移动式小型热中子照相装置。同位素中子源则产生能量较高的中子束，运行稳定，可移动。

1.2中子准直器

中子准直器是使发散的中子束均匀分布的装置，经过准直器准直、整形的中子束平行度高。常见的类型有圆管型、多束圆管型、多束平板型、发散型等。好的中子准直器能够提高图像的分辨力。

1.3像探测器

中子照相中图像显示方法主要有转换屏—胶片成像法[6]、径迹蚀刻法、CCD相机中子照相[7]和成像板（IP） [8，9]。其中转换屏—胶片成像法得到的图像分辨率高，但需要较长的时间成像，要经过传统胶片照相的操作过程，数字化不方便。径迹蚀刻法图像受γ射线影响小，但图像对比度差，需用特定的光电技术得到数字影像[2]。CCD 相机中子照相和IP 成像均可得到数字化图像，但CCD 相机中子照相图像的质量较低而IP 成像有较高的数字图像质量。

2中子照相技术在考古中的应用[10，11]

中子照相技术可以探测古代文物的内部构造和制作工艺等信息，是考古学中的重要技术。利用中子照相技术，可以探测到文物用粘胶进行的修补，从而鉴定文物的完好程度，这是X射线照相所无法做到的。利用中子照相技术还可以测定出陶瓷中微量元素分布及含量，可对陶瓷的烧炼技术进行考证。

3结束语

中子照相技术作为一种无损检测技术，是对X射线照相技术的弥补。而随着中子照相技术的快速发展，装置的灵活性越来越重要。若要将我国中子照相技术发展为商业化的技术，则需将中子照相的装置小型化和可移动化，从而使中子照相技术有用更广泛的应用[12]。

参考文献

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