快中子转换屏发光性能研究

    中子照相是一种无损检测技术，其原理与 X 射线照相等检测技术相似^[1,2]。快中子照相是中子照相技术的一个分支，因其采用快中子进行照相而得名，是很有前途的无损检测技术，已广泛应用于飞机零部件^检测[3]、大型机械部件缺陷检测^[4,5]等。日、美等国对快中子照相开展了大量研究^[6,7]。我国的中子照相研究起步较晚，中国工程物理研究院是我国较早开展中子照相研究的单位，已建成多套热中子照相装置^[8,9]。

    氚靶加速器产生的 14 MeV 快中子可轻易穿透重金属外壳，探测其内部轻材料。但快中子的强穿透性也使其探测效率非常低，仅为热中子的十分之一。 快中子无法直接探测，须通过转换材料将快中子转换为光子，由胶片、CCD 相机或其他光学图像系统记录。目前，用于快中子照相的转换设备有塑料闪烁体(BC408、NE426 等)、光纤阵列和转换屏。塑料闪烁体和光纤阵列基本透明，可增大厚度以提高探测效率，但厚度增大会带来像差，影响成像质量。快中子转换屏基本为表面发光，可获取高分辨率图像，但系非透明体，要提高其探测效率，不能仅增大其厚度，得优化其转换屏参数(厚度与成分)。‘

    本文通过建模计算对转换屏参数优化进行预估，再测试不同参数转换屏的发光成像性能，研究快中子转换屏参数对性能的影响，以确定 14 MeV快中子照相的转换屏最佳参数。

    1 快中子转换屏性能的计算方法

    本文的快中子转换屏由富氢材料粘合剂和硫化锌荧光材料混合、压制而成，其发光原理见图 1。

    转换屏内的富氢材料是聚丙烯(PP)、环氧树脂等，快中子与它们的氢原子发生核反应产生反冲质子，反冲质子在 ZnS 中沉积能量使其发光，由此实现中子到可见光的转换。这些可见光基本为各向同性，传输过程中，光强按距离平方成反比的规律减弱, 同时又被屏材料吸收而衰减。设转换屏的厚度为 d，平行快中子束的中子密度为 n₀，转换屏对中子的吸收系数为 μ₁，则穿过转换屏的中子数为：

    n = n0e^– μ1d            (1)

    由式(1)，在转换屏内(x,y,z)处，微观长度 dz 内发生反冲质子反应的中子数为：

    I(z) =  dn/dz =μ₁n₀e^– μ1z               (2)

设反冲质子和转换屏内的荧光物质(ZnS)发生反应的概率为 σ_ZnS，其与转换屏内的 ZnS 分子密度 N_ZnS成正比，设单次核反应产生的光子数为 k，则转换屏内(x,y,z)处产生的光子密度为：