中子成像技術的進步為低功率研究堆創造了新機遇

中子成像是一種利用研究堆或加速器中子源對內部結構進行檢查的非侵入性技術。原子能機構項目副主任Molly-Kate Gavello說：“這是一種神奇的工具，在科學和工業研究與開發以及法證學和文物研究方面具有無限的潛能。”中子成像可用于測試電機、減震器和渦輪葉片，可以顯示水如何在有生命的植物體內流動，或檢查充滿鐵質巖石的恐龍頭骨化石的內部情況。

盡管中子成像技術自20世紀50年代就開始使用，但直到20世紀90年代，二維膠片成像一直是主要成像方式。隨著數字技術（包括先進數字照相機）的出現，中子成像現采用計算機斷層掃描（CT）技術，該技術使用數百張從不同角度拍攝的圖像來創建高度詳細的三維（3D）圖像。

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直到最近，由于技術和資金方面的原因，使用CT或三維成像技術進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。

低功率下的高質量圖像

2021年，布拉格捷克技術大學（CTU）的博士生雅娜·馬圖什科娃和她的導師盧博米爾·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展。首先，低成本、高質量的天文相機在此十年前已經問世。其次，德國慕尼黑工業大學海因茨·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（包括低功率反應堆）的迷你設施。布克哈德·施林格爾帶領的團隊在 FRM II 研究堆開發并建造了一套配備3D打印探測器外殼的低成本、高質量的中子成像系統，以及用于先進中子斷層成像和射線成像實驗系統（ANTARES）設施的縮小版專業控制軟件。新探測器的圖像質量與ANTARES設施通常使用的最先進系統相當。

馬圖什科娃希望用低功率中子源（如捷克技術大學的500瓦VR-1培訓反應堆）測試中子成像，相比之下，20兆瓦 FRM II 反應堆的功率是捷克技術大學反應堆的4萬倍，因此產生的中子也是捷克技術大學反應堆的4萬倍。由于新冠疫情的限制，她無法進入捷克技術大學的設施進行實驗，因此面臨著挑戰。

斯克倫卡聯系了施林格爾，請他就如何復制FRM II開發的低成本系統提供建議，施林格爾通過視頻通話向馬圖什科娃提供了建議，并向她提供了有關系統設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，并用可見光對其進行了測試。

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

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

共享技術和專門知識

FRM II設施和捷克技術大學的經驗表明，微型設施可用于任何中子源，包括功率極低的研究堆。施林格爾說，他的團隊隨時準備免費提供設計圖和軟件，并在國際上幫助安裝和調試。

有了三維打印機制造的部件、縮小到適合筆記本電腦的軟件以及天體攝影相機價格的下降，整套設備只需不到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荷國家實驗室的研究科學家亞倫·克拉夫特帶領原子能機構專家工作組，在智利核能委員會的 RECH-1 研究堆安裝了數字中子成像系統。施林格爾用手提箱帶來了組件，系統在兩天內就安裝完畢。

“原子能機構在為低功率研究堆提供這項技術方面發揮了關鍵作用。”施林格爾說，“新的靈敏探測器為這些反應堆開辟了一個全新的應用領域，這些反應堆無法為復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。”

原子能機構支持與研究堆的技術合作，包括專家工作組訪問和設備采購。它還出版中子成像指南，提供地區培訓，并正在擴大電子學習機會。2022年，通過原子能機構協調，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。

在奧地利塞伯斯多夫的原子能機構中子科學設施也安裝和調試了一個類似的中子-X射線雙系統，目前正用于培訓。

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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部結構和組成。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和結構材料中的應變。

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