中子成像技术在元素分析中的应用

中子成像作为一种快速、直观的无损检测技术,在核工业、航空航天、新能源、地质、考古、先进制造等多个领域得到广泛应用。中子成像利用中子不带电、穿透能力强、对轻元素敏感、可区分同位素和近邻元素等特性,非常适合开展含氢元素、近邻元素和同位素等材料的无损检测。通过概述中子成像技术的基本原理及特点,并结合中国先进研究堆(CARR)中子成像装置上的应用案例,重点综述了国内外中子成像技术在储氢材料、燃料电池、岩石、核燃料元件、古代文物等领域的典型应用。随着中子成像技术的不断发展和广泛应用,有望为我国更多领域研究提供更强有力的技术支撑。

能量选择中子成像技术及其应用

能量选择中子成像技术是利用特定范围波长(能量)的中子进行成像。在热/冷中子范围内(<25 meV),能量选择中子成像技术主要基于布拉格边效应和衍射机制,相比常规中子成像技术不但可以显著提高图像对比度,而且能分析应变、应力、织构。在超热中子范围内(>1 eV),能量选择中子成像技术主要基于中子共振吸收,中子截面随能量变化是同位素特有的,存在明显的共振吸收峰,因此可以进行同位素的“指纹”识别。概述了能量选择中子成像技术的基本原理及特点、单色化技术及其应用现状,重点探讨了能量选择中子成像技术的应用前景和科学价值。未来,能量选择中子成像技术将在工程、材料、化学、物理、生物、考古等众多科研领域发挥重要作用。

中国先进研究堆高分辨中子成像技术研究

中国先进研究堆热中子成像装置近年已完成建设并投入使用,探测器空间分辨率已达到亚毫米级,在航空航天、文物考古、氢含量表征等领域已有广泛的应用,但当前探测器分辨率仍无法满足一些高精度的测试需求。根据锆合金氢含量、文物制作工艺等领域的相关测试需求,本文搭建了一套基于中国先进研究堆热中子成像装置的高空间分辨中子成像探测器,介绍了搭建过程中光路系统设计、转换屏选择和相机的选择。通过相关模拟计算,搭建探测器光路系统,并对探测器整体进行调试。在中国先进研究堆热中子成像装置上完成了探测器系统的相关带束调试,并对注射器针管样品进行了测试。测试结果表明,探测器空间分辨率达到11.3μm,实际可利用的视场大小达到23.6 mm×28 mm,实现了10μm级空间分辨率。

西安汉墓出土铜铁箭镞的中子成像分析

汉代箭镞有多种类型,制作工艺也各不相同。本文采用中子成像和超景深显微照相技术,对西安雅荷中央广场M36西汉墓葬出土的铁铤铜镞和铁镞进行无损分析研究。结果表明,铜镞与铁铤采用铸接方式相连,铁铤外部推测先涂刷胶结物,后用竹木片和细线包裹捆扎,并涂刷黑漆。铁镞与铁铤为分铸后机械连接,连接部位有竹木材料填充。铜镞保存较好,铜腐蚀物分布于镞外表面和镞内铸造孔洞周围。铁镞整体和铜镞中铁铤均腐蚀严重,其中3个箭镞几乎无铁基体残留。本文为中国先进研究堆(CARR)中子成像装置在文物领域的初步尝试,为探明箭镞内部结构和腐蚀特征,首次提供了影像学依据,有助于文物价值的认知和保护修复措施的制定,并对中子技术在文物领域的应用研究具有借鉴意义。

中子成像技术的进步为低功率研究堆创造了新机遇

中子成像是一种利用研究堆或加速器中子源对内部结构进行检查的非侵入性技术。国际原子能机构(IAEA)项目副主任Molly-Kate Gavello说:“这是一种神奇的工具,在科学和工业研究与开发以及法证学和文物研究方面具有无限的潜能。”中子成像可用于测试电机、减震器和涡轮叶片,可以显示水如何在有生命的植物体内流动,或检查充满铁质岩石的恐龙头骨化石的内部情况。

中子成像技术的进步为低功率研究堆创造了新机遇

中子成像是一种利用研究堆或加速器中子源对内部结构进行检查的非侵入性技术。国际原子能机构(IAEA)项目副主任Molly-Kate Gavello说:“这是一种神奇的工具,在科学和工业研究与开发以及法证学和文物研究方面具有无限的潜能。”中子成像可用于测试电机、减震器和涡轮叶片,可以显示水如何在有生命的植物体内流动,或检查充满铁质岩石的恐龙头骨化石的内部情况。尽管中子成像技术自20世纪50年代就开始使用,但直到20世纪90年代,二维胶片成像一直是主要成像方式。

热中子成像系统在页岩油开发中的应用

热中子成像系统是一种脉冲中子套后饱和度测井技术。当某些井未能进行常规裸眼测井时,应用热中子成像系统可以获取套后测井资料,实现对单井油水层的评价,为后续射孔等工作提供依据。在阐述热中子成像系统工作原理和技术特点的基础上,介绍了其在页岩油开发中的应用成果。利用热中子成像资料,可以评价储层物性和脆性矿物含量,进行储层分类、识别优质储层。通过分析热中子成像系统在压裂前、压裂后的测井信息,对比压裂前后储层孔隙度、含油饱和度的变化情况,可以有效评价压裂效果。研究结果可为改善油田开发效果、提高页岩油采收率提供技术支撑。

基于中子成像的水泥基材料毛细吸水动力学研究

总结了国内外有关水泥基材料毛细吸水的动力学机理及其现有模型,应用中子成像技术对其毛细吸水过程进行了可视化再现,对水分侵入的空间分布规律进行了定量分析。结果表明,在毛细孔吸附力作用下,水分前锋不断向水泥基材料内部推进,在吸水初期速度较快,后趋于平缓直至稳定;水分侵入曲线在深度和含量上同时增长,可以由线性+反S形模型来描述其空间分布特点,并与实测结果吻合良好;现有的"时间开方"及其修正模型对毛细吸水的后期预测不太合理,本文提出的渗透系数双曲线衰减模型更符合真实结果。

基于三维中子成像的锆合金包壳氢分布量化方法研究

锆合金吸氢会导致包壳脆化,影响核燃料元件服役安全。掌握氢含量及分布的无损检测方法有助于预测和评估锆合金包壳服役性能,保障核反应堆的运行安全。本文基于三维中子成像对锆合金包壳样品中的氢分布进行定量无损表征。制备系列预设不同氢含量的Zr-Sn-Nb合金校准样品,开展三维中子成像无损测量,建立氢含量与中子图像灰度值之间的对应关系,实现未知锆合金包壳样品中氢含量和分布的精确测定。此外,利用金相法和惰气脉冲红外吸收法测氢验证了基于三维中子成像的锆合金氢分布量化方法的可行性。结果表明,三维中子成像测定的氢含量和分布与另外两种方法的结果一致。本文结果为锆合金包壳氢分布和含量研究提供了一种三维、无损检测方法,可为优化包壳材料工艺、提高服役性能提供技术支撑。

基于CCD数字摄像机的中子成像系统研制

中子成像是一种极为独特且重要的射线无损检测技术，有着广阔的应用前景。研制了一种基于CCD数字摄像机的中子成像系统，阐述了该中子成像系统的组成、技术特点、成像系统设计要点。初步试验结果表明：所研制成的中子成像系统，设计方案正确，技术路线可行。达到了设计研究的目标。

^(241)Am-Be中子源快中子成像研究

中子成像是一种与X射线成像互补的无损探测技术。为探索同位素中子源用于发展可移动的无损检测系统,利用241Am-Be作为中子源,使用自制的中子发光转换屏和X射线胶片作为探测系统开展了快中子成像研究,并获得了较高质量的图像。研究结果表明,利用241Am-Be中子源发展小型探测系统是有潜力的。

脉冲射线源三维中子成像重建算法研究

借鉴计算机层析成像方法,通过多角度成像的方式得到氘氚燃烧区三维分布信息。介绍了球谐函数分解、最大期望代数迭代两种具有代表性的极少角度三维图像重建算法,并提出将球谐函数分解重建结果作为最大期望代数迭代初始值的重建约束方法。该方法利用了激光、Z箍缩聚变靶具有一定球对称性的物理先验,既改善了球谐函数在极少角度投影重建表示能力不足、残影较大的缺点,又利用了最大期望算法局部最优的特点,可以将重建结果限制在物理似然域中,从而在一定程度上克服了极少角度投影三维重建解空间过大的问题。利用峰值信噪比、均方根误差、KL偏差等三种指标对重建结果进行了量化评价,结果表明球谐函数初值约束的最大期望代数迭代算法效果最好。

CMRR研究堆冷中子成像的双晶体单色器模拟研究

为适应CMRR冷中子成像装置配备双晶体单色器的需求,采用MC方法计算了主选择波长中子及其二次谐波中子在成像位置处不同厚度高定向热解石墨的强度,通过它们相对强度变化确定了高定向热解石墨的厚度.确定厚度后,模拟计算了成像位置的单色中子注量率、波长分辨率、有效视场及其均匀性,通过本研究为CMRR冷中子单色中子成像装置研制提供了设计参考.

基于中子成像技术的铅酸蓄电池极化问题的研究

阐述了铅酸蓄电池充电时电极极化机理,并在此基础上说明了极化现象是现代充电策略的研究重点,并提出采用中子成像技术替代传统的对极化恶劣程度的分析方式,以提高研发效率。

热中子成像测井在饶阳油田的应用

为解决油田开发后期剩余油监测问题,华北油田引进了热中子成像测井(TNIS测井)。TNIS测井通过热中子衰减谱和热中子俘获谱得到近井地带的油气水分布,计算含油饱和度。TNIS测井能通过多个探测器记录大量地层信息形成成像文件,能够对地层进行直观地定性分析。在TNIS测井资料处理解释和评价中,通过建立引入区域特征系数解释模型,针对饶阳油田的岩性和地层水矿化度等地质特征制定了解释标准,提高了解释符合率;根据TNIS测井解释结果卡层补孔见到明显增油效果。实践证明TNIS测井为了解剩余油分布规律、寻找潜力层、识别水淹层、制订油田开发措施提供了可靠依据。

用于中子成像探测器的混合掺杂nMCP模拟及优化

为了给CSNS中子谱仪提供性能优异的能量分辨中子成像探测器,本文设计了兼具高探测效率和高位置分辨的中子探测器。根据中子灵敏微通道板(nMCP)的中子探测原理和信号产生机制,使用Geant4建立nMCP的模拟模型以及位置分辨的计算模型,使用蒙特卡罗模拟对硼钆混合掺杂nMCP的探测效率和位置分辨2个关键性能展开了优化,并对nMCP中由中子入射位置不同产生的响应不均匀性进行了研究。结果表明:对于8μm孔径,10μm孔间距,1°倾角的nMCP,混合掺杂摩尔百分比为10的B_(2)O_(3)和摩尔百分比为0.4的Gd_(2)O_(3),在保持15μm位置分辨的同时可以最高达到28%的探测效率。相对于无倾角的nMCP,在有通道倾角的nMCP中这种响应不均匀现象更加严重。本文的模拟结果为开发用于能量分辨中子成像的高性能nMCP提供了有力的数据支持。

水淹层热中子成像测井解释与分级方法

热中子成像(TNIS)测井是近年来发展的一项核测井新技术,能够反映储层流体性质及剩余油含量,对水淹层测井解释具有较大的应用潜力。基于热中子成像测井原理,指出了通过热中子衰减谱和俘获成像图可以识别水层和油层,指示储层含油性;同时结合常规测井计算的泥质含量和孔隙度,推导了根据热中子宏观俘获截面计算剩余油饱和度的公式,并利用上述特征参数建立了交会图版,实现了水淹层识别与级别划分。在鄂尔多斯盆地长8段实际应用结果表明,热中子成像测井能够用来有效识别水淹层与划分水淹等级,为分析剩余油分布规律提供了可靠依据,对油田实际生产具有指导作用。

采用硅光电倍增管和塑闪阵列的便携式快中子成像系统的可行性研究

介绍了一种基于硅光电倍增管和塑料闪烁体阵列的小型快中子成像系统。对比X射线成像,快中子成像对低原子序数构成的物质更加灵敏,在工业领域有重要应用。从模拟和实验两方面探讨方案的可行性。利用GEANT4和Python搭建了一套模拟平台,实现从中子到电信号的全物理过程模拟,根据结果进行了图像重建。通过模拟,讨论了能量阈值、闪烁体尺寸对系统探测效率的影响;论述了影响系统成像效果的几个关键因素(中子源焦点大小、源与样品间距、样品的材质和厚度等)。试制了一个小尺寸的成像探测器,并配合氘-氘中子管,对聚乙烯材质的样品进行了成像实验。结果显示:此单元成像效果基本与模拟效果一致,成像图的实际像素尺寸可以达到3 mm×3 mm。以上模拟和实验结果显示基于硅光电倍增管快中子成像系统的可行,为进一步的研究提供了依据。

增强光中子成像空间分辨率的方法研究

X射线和中子联合成像能够极大的提升针对不同种类违禁材料的鉴别能力。光中子源具有中子产额高,系统稳定性好,既是X射线源又是中子源的优点,其不足之处在于中子探测会受到X射线脉冲的干扰,而为了避免这种干扰采用慢化中子延时错开X射线脉冲的解决办法又将带来新的问题,即中子探测空间分辨率的恶化。本文提出了一种新颖的探测慢化后光中子的方法,能够极大地提升光中子探测的空间分辨率,并设计了一套光中子成像原型系统,通过模拟手段评估了系统的各项参数性能,获得了理想的模拟成像结果,验证了方法的可行性。

热中子成像准直器研制综述

介绍了热中子成像的基本原理及热中子准直的基本方法,综述了国内外热中子准直器的研制进展,提出了改善热中子准直器性能的主要途径,展望了热中子准直器的设计方向和应用前景。