高能中子照相转换屏性能初步研究

吴 洋 唐 彬 孙 勇 刘 斌 霍合勇 尹 伟

（中国工程物理研究院核物理与化学研究所 绵阳 621900）

高能中子的强穿透性决定了高能中子照相技术是一种很有潜力的无损检测技术，在大尺寸、厚外壳物件的射线检测领域内，高能中子照相具有较大的优势，但高能中子极低的探测效率一直制约着高能中子照相技术的发展。近年来随着高灵敏度电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）相机技术的进步，带动高能中子照相技术进入了一段高速发展期，美国、日本、欧洲的研究机构已开展了大量的相关研究工作［1-4］，并初步开展了应用研究。国内的北京大学、中国科学技术大学和中国工程物理研究院等研究机构也开展了相应的工作［5-10］，取得了初步的进展。

一套完整的高能中子照相装置由中子源、屏蔽系统、中子/可见光转换系统和光学成像系统构成。高能中子照相专用转换屏就是中子/可见光转换系统的主要构成部件，其探测效率、固有分辨率等指标对高能中子照相装置综合性能有非常显著的影响，日本科学家曾针对适用于2 MeV能量中子的高能中子照相专用转换屏开展过大量研究工作［11］，试制了多种类型的转换屏并对其有关性能进行了对比，但目前针对14 MeV高能中子照相转换屏的相关研究工作尚未有研究单位开展，而转换屏的探测效率测定研究也鲜有报道。转换屏对高能中子的探测效率是考量其性能的重要指标，但目前国内外均未对其绝对发光的测量开展研究工作，中国工程物理研究院的中子照相技术领域研究人员以实际应用性能为切入点，以基于D-T加速器14 MeV高能中子源和CCD相机成像系统的照相装置为平台，对塑料闪烁体（Plastic Scintillator，PS）、光纤阵列（Fiber Matrix，FM）、采用聚丙烯和ZnS荧光粉混合压制荧光屏（Polyethylene-ZnS Converter，PZC）和光纤嵌入式荧光屏（Waveshift Fiber Converter，WFC）的探测效率进行了测试，获取了一些很有意义的结论。

1 高能中子照相转换屏工作机理及探测效率定义

高能中子无法直接被探测，须通过转换材料将高能中子转换为光子后，由胶片、CCD相机或其他光学图像采集系统记录。上文中提到的三种主流的高能中子照相转换屏工作机理均基于反冲质子作用原理，如图1所示，快中子和转换屏内的富氢材料（聚丙烯、环氧树脂等）中氢原子发生核反应产生反冲质子，反冲质子在荧光材料（如硫化锌）中沉积能量使其发光，由此实现了中子到可见光的转换。其作用机理见图1。

图1 高能中子照相转换屏工作机理Fig.1 Principle of high energy neutron radiography converter

目前业内普遍将中子与转换屏内材料发生核反应的概率定义为高能中子照相转换屏的探测效率，但众所周知，中子与转换屏内材料发生反应后，转换的可见光存在不能传导入光学收光系统的可能，在以光学透镜组和CCD相机为基础的成像系统中，上述情况发生的概率很大，导致与转换屏内材料发生反应的中子并不能全部被后端成像系统探测到，因此本文认为将中子与转换屏内材料发生反应的概率定义为其探测效率存在问题，转换屏的探测效率应和后端的光学成像系统有强相关，可定义为入射中子束流和转换屏作用后被后端光学采集系统记录的概率，即转换屏的绝对发光效率。本文的主要内容是研究14 MeV高能中子照相系统中典型的CCD科学相机耦合转换屏的探测效率评估技术。

2 高能中子照相转换屏性能实验测试装置

实验测试平台为中国工程物理研究院的高能中子照相系统，该系统主要由中子源、屏蔽体、CCD成像系统三大部分构成，中子源是核物理与化学研究所的D-T加速器，成像系统为转换屏光学耦合数字CCD相机系统，实验平台的基本结构如图2所示。

中子源产生14 MeV高能中子，产额约1011n·s-1，中子到达转换屏被转换为可见光信号，CCD相机将光学图像信号换为数字图像信号，传送给图像采集处理分析系统，后者对采集的图像进行处理分析和判读。

D-T加速器中子源产生的中子发射角度基本为各向同性，因此转换屏上中子注量率 Ip（cm-2·s-1）如式（1）：

式中：I0表示中子源源强，s-1；L表示中子源和转换屏的距离，cm；θ表示该投影像素上的中子发射方向与中子面源法线方向的夹角。

图2 高能中子照相装置结构Fig.2 Schematic diagram of high energy neutron radiography system

典型的CCD相机耦合转换屏成像系统，如图3所示，系统内主要包括转换屏、光学透镜系统、CCD相机、外围系统控制及数据采集系统。入射中子束给定情况下，考虑透镜组有效通光孔对物面上某点张开的立体角：

图3 CCD数字成像系统结构框图Fig.3 Schematic diagram of digital CCD imaging system

式中：f为透镜组的焦距，cm；d为有效通光孔径，cm；H为成像视场高度，cm；h为探测器芯片高度，cm；D为透镜相对孔径，即光圈数f/d；μ为物距，cm。

经推导，转换屏的中子转换效率为：

式中：Ip为转换屏处中子注量率，cm-2·s-1；C为单个成像像素上的灰阶值C（无样品部位）；n为单个中子激发的光子数；η为光子传出荧光屏效率；Pmir为反射镜反射率；Plen为镜头透光效率；p为CCD芯片沿边长的像素值；gca为芯片增益；QEca为芯片的量子效率，峰值波长的量子效率95%；Ffill为芯片填充效率，最高可达100%；Drange为A/D转换范围，最高灰阶等级，16 bit合65 535；Fcap为满阱电子数；tp为曝光时间，s。

反射镜反射率92%；镜头透光效率66%；测试实验装置中采用的CCD相机为PI生产的液氮深制冷科学级相机，其芯片沿边长像素值2 048；芯片增益1；芯片量子效率95%；芯片填充效率接近100%；模/数转换范围0～65 535；满阱电子数100 000。

对于含氢材料和ZnS荧光粉混合压制屏中单中子激发的光子数n的数值，目前尚未有相关实验开展，俄罗斯的研究人员就此曾开展过理论研究［12］，单个中子在荧光屏内激发的光子数为135 000［1］，光子在荧光屏内的传播近似为指数衰减，光学线衰减系数μp为1.33 mm-1，依据光学原理可知，约86%的光子是在中子穿入荧光屏2/μp=0.75 mm深度产生的，故对于实验中采用的厚度为d的荧光屏，其光子传出效率可近似表达为：

实验中采用的荧光屏厚度d=2.68 mm（取5个测量点的平均值），则其光子传出效率为20.92%。

3 实验结果及分析

实验的主要内容是测试压制荧光屏的探测效率并将其和光纤植入型转换屏、塑料闪烁体（型号：ST401）以及光纤阵列的效率进行对比，由此即可基本明确各类转换屏在CCD系统中的中子探测效率。

实验分三步进行：第一部分测试压制荧光屏的探测效率；第二部分测试各类不同的转换屏相对效率，由此标定其本征探测效率；第三部分测试不同类别的转换屏空间分辨率性能，其中第一和第二部分实验结果如图4所示，第三部分实验结果如图5所示。

图4 不同转换屏成像结果 (a)PZC，(b)正排WFC，(c)错排WFC，(d)PS，(e)FMFig.4 Imaging result of different converter(a)PZC，(b)Align arrange WFC，(c)Stagger arrange WFC，(d)PS，(e)FM

图5 铁样品成像结果及对应截面处灰阶曲线(MTF=10%)(a)WSC，(b)PZC，(c)PSFig.5 Imaging result of steel sample with grey scale curve at slot(MTF=10%)(a)WSC，(b)PZC，(c)PS

第一部分实验中，加速器中子源靶点和转换屏的距离为300 cm，中子源产额基本稳定在5×1010n·s-1，曝光时间tp=1 200 s。D-T靶14 MeV高能中子源的出射方向为各向同性，故压制荧光屏接受的中子注量率Ip=5×1010/（4×π×3002）=4.42×104s-1·cm-2。压制荧光屏发光后CCD相机记录图像灰阶约为C=288，由式（3）可得出压制荧光屏探测效率Psc=0.71%。

第二部分实验是对压制荧光屏、塑料闪烁体、闪烁光纤阵列等高能中子照相可用的转换屏进行探测效率测试，本部分实验中各种转换屏实验测试条件和方法与第一部分实验相同，可根据实验测得各转换屏产生的灰阶结合第一部分的实验结果得出各类转换屏的探测效率，即根据单个中子产生的灰阶比例得出各转换屏的探测效率。

实验结果如表1所示。因为测试的各类转换屏厚度不同，而厚度又与其探测效率正相关，为全面分析各类转换屏的探测效率，本文又对其单位厚度探测效率进行了计算，即表1中的归一到1 mm探测效率，结果表明：错排光纤的探测效率较正排光纤高20%，另外两种光纤转换屏的探测效率均高于压制荧光屏40%以上，都低于2 cm厚的塑料闪烁体，但对单位厚度转换屏而言，3 mm厚的聚丙烯和ZnS荧光粉混合压制荧光屏最高，而10 cm后的光纤阵列最低。

表1 各种转换屏探测效率对比Table 1 Efficiency of different converter

第三部分旨在测试光纤转换屏和压制荧光屏以及塑料闪烁体的分辨率。实验中采用分辨率较好的1 mm厚压制荧光屏、2 cm厚ST401塑料闪烁体和1 cm厚光纤转换屏，光纤转换屏的光纤间距1 mm，光纤直径0.5 mm，采用国产光纤制备、基材成分为富氢材料与荧光粉重量比1：1。

实验测试样品为开有不同宽度对缝的铁样品。铁样品厚度40 mm，样品内线对宽度为5～0.5 mm不等。实验结果如图5所示（调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF），可理解为一个特定空间频率的相对对比度，人眼对小于10%的MTF不敏感，故这里取MTF=10%）。实验中源-屏距为137 cm，样品与转换屏紧贴，光纤转换屏成像参数为3 min×12次，PPC成像参数为5 min×12次，ST401成像参数为1 min×12次。成像结果表明：除2 cm厚ST401外，1 cm厚光纤屏和1 mm厚度压制荧光屏均可分辨样品上1 mm的线对；成像结果灰阶曲线表明：采用混压荧光屏获取的线对图像，其对比度高于采用光纤屏获取的线对图像，说明该屏在极限分辨率上要优于光纤屏；ST401由于为体发光，其分辨率低，同时由于成像时间较短和闪烁体对γ射线非常敏感，相对噪声也高于其余两种屏。

4 结语

1）光纤转换屏内部光纤的植入方式对其探测效率影响较大，错排光纤较正排光纤效率提升约20%；

2）因测试用的塑料闪烁体厚度较光纤转换屏大一倍，其测试效率虽比光纤转换屏高，但归一到相同厚度后其绝对效率低于光纤转换屏，而压制荧光屏厚度超过3 mm后因自吸收效应其探测效率会下降，故各类转换屏中光纤转换屏效率最高，塑料闪烁体次之，压制荧光屏最低；

3）压制荧光屏在中子束流准直比相同的情况下分辨率最高（优于1 mm），光纤转换屏次之，塑料闪烁体最差；

4）理论上增大光纤转换屏厚度可进一步提升其效率，该类转换屏在分辨率和效率两方面达到了较好的平衡，压制荧光屏可用于对分辨率要求较高的高能中子照相场景，而塑料闪烁体仅适用于强中子源、大准直比条件下的高能中子照相，且其对γ射线的高敏感性会对成像质量有较大影响。