中子成像是一种用于检查内部结构的非侵入性技术，使用研究堆或基于加速器的中子源进行。“这是一个令人惊叹的工具，为科学和工业研究与开发以及法医学和文物研究提供了无限的可能性，”原子能机构副项目官员莫莉-凯特·加维洛说。中子成像可用于测试电机、减震器和涡轮叶片。它可以显示水如何在活植物内移动，或者检查充满铁质岩石的恐龙头骨化石的内部。
尽管中子成像自 20 世纪 50 年代以来一直在使用，但直到 20 世纪 90 年代，基于胶片的二维 (2D) 图像才是主要格式。随着包括复杂数码相机在内的数字技术的出现，中子成像现在利用计算机断层扫描 (CT)，它使用从不同角度拍摄的数百张图像来创建高度详细的三维 (3D) 图像。
直到最近，出于技术和财务原因，CT 中子成像或 3D 成像对于低通量中子源(例如低功率研究堆)来说还不可行。
低功耗高质量图像
这种情况在 2021 年发生了变化，当时布拉格捷克技术大学 (CTU) 的博士生 Jana Matoušková 和她的导师 Lubomír Sklenka 展示了在 500 瓦 (W) 研究堆功率下使用 CT 进行中子成像的能力。
这一突破是在两项进展之后实现的。首先，低成本、高质量的天文相机在过去十年已经出现。其次，德国慕尼黑工业大学 Heinz Maier-Leibnitz 研究中子源 (FRM II) 的研究人员已经意识到这些新型相机的潜力，并于 2016 年推出了第一个用于中子断层扫描的小型设备，包括用于低中子断层扫描的设备。动力反应堆。在 Burkhard Schillinger 的领导下，该团队开发并构建了一个低成本、高质量的中子成像系统，该系统配有 3D 打印探测器外壳以及先进中子断层摄影和放射线摄影实验系统 (ANTARES) 成像中使用的专业控制软件的缩小版FRM II 研究堆的设施。新探测器的图像质量与 ANTARES 设施通常采用的最先进系统的图像质量相匹配。
Matoušková 希望使用低功率中子源(例如 CTU 的 500 W VR-1 训练反应堆)测试中子成像 - 相比之下，20 兆瓦 FRM II 反应堆的功率高出 40,000 倍，因此产生的中子比 CTU 多 40,000 倍反应堆。事实证明，这具有挑战性，因为由于 COVID-19 的限制，她无法进入 CTU 设施进行实验。
Sklenka 联系了 Schillinger，寻求有关复制 FRM II 开发的低成本系统的建议，Schillinger 在视频通话中为 Matoušková 提供了建议，并向她提供了有关系统设计和必要部件来源的信息。她一步步在自己家里搭建了一套中子成像系统，并用可见光对其进行了测试。
COVID-19 限制解除后，Matoušková 在 CTU 反应堆安装了她的系统，并成功生成了 CTU 的第一张数字中子二维图像，随后进行了中子 CT 在 500 W 下曝光 12 小时。这意味着结果可以一天之内即可获得，并且功率显着降低——也使用该技术的研究堆的功率范围从数百千瓦到数十兆瓦。
作为博士研究的一部分，Matoušková 目前正在改进 CTU 的中子成像系统。该系统主要用于教育目的，但也用于开展研究，例如与布拉格国家美术馆合作检查文化文物。
分享技术和专业知识
FRM II 和 CTU 的经验表明，小型设施可用于任何中子源，包括极低功率研究堆。席林格表示，他的团队已准备好免费提供设计方案和软件，并帮助在国际范围内进行安装和设置。
借助 3D 打印机制造的部件、缩小尺寸以适合笔记本电脑的软件以及天文摄影相机价格的下降，整个套件的组装成本低于 5000 欧元，并且可以轻松运输。2022年，席林格和美国爱达荷国家实验室的研究科学家亚伦·克拉夫特率领国际原子能机构专家团在智利核能委员会的RECH-1研究堆安装数字中子成像系统。席林格把组件装在手提箱里，两天之内系统就搭建好了。
“国际原子能机构在使这项技术可用于低功率研究堆方面发挥着关键作用，”席林格说。“有了新的灵敏探测器，它为这些反应堆开辟了一个全新的应用领域，这些反应堆无法为复杂的中子散射实验提供足够的中子。中子成像使它们更容易用于教育、研究以及与博物馆的合作。”
原子能机构支持与研究堆的技术合作，包括专家任务和设备采购。它还出版中子成像指南，提供区域培训，并正在扩大其电子学习机会。原子能机构还让马图什科娃在阿根廷的 RA-6 研究堆度过了四个月的时间，以帮助在 2022 年安装和测试低成本中子成像系统。
类似的双中子-X射线系统已在奥地利塞伯斯多夫的原子能机构中子科学设施安装并调试，用于培训。
什么是中子成像?
中子成像是一种用于检查不透明物体内部结构和成分的非侵入性方法。它基于与 X 射线成像类似的原理。然而，与被金属等致密材料吸收的X射线不同，中子束可以穿透大多数金属和岩石，并且会被一些轻元素(例如硼、碳、氢和锂)衰减。中子还可以帮助可视化磁场以及技术和结构材料中的应变。
