中子照相技術(shù)及其在考古中的應(yīng)用

劉斯禹+郭天超+韓雪+高瑜+郭天飛

摘 要：1932年中子被發(fā)現(xiàn)后，中子照相技術(shù)也逐步發(fā)展起來，成為了與X射線照相互補的重要無損檢測技術(shù)，其對于較厚金屬等材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像有著獨特的優(yōu)勢。隨著技術(shù)的發(fā)展，中子照相技術(shù)應(yīng)用在了航天、航空、核工業(yè)、生物學(xué)、考古等領(lǐng)域。本文介紹了中子照相技術(shù)的基本原理，中子照相系統(tǒng)的三個主要裝置：中子源、準(zhǔn)直器和像探測器。列舉了中子照相技術(shù)在考古中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：中子照相；無損檢測；考古；中子源

0引言

中子照相技術(shù)是一種無損檢測技術(shù)。其原理是基于中子穿過物體時與原子核發(fā)生作用而發(fā)生衰減。中子射線衰減規(guī)律遵循指數(shù)衰減規(guī)律：

（1）

式中I為出射的中子強度，I0為入射中子強度，α為樣品對中子的衰減系數(shù)，d為樣品在輻射方向的厚度。對于重元素物質(zhì)，中子的衰減系數(shù)較小，可以對較厚的金屬材料實現(xiàn)透射成像[1]。而對于一些原子序數(shù)小的元素，其衰減系數(shù)反而較大[2]。由于不同元素對中子的衰減系數(shù)不同，所以透射中子束中含有了被照射樣品的內(nèi)部信息，利用相關(guān)的影像技術(shù)就可得到樣品內(nèi)部各種材料的空間分布及材料性質(zhì)的綜合信息，從而實現(xiàn)中子照相。

1中子照相的裝置系統(tǒng)

1.1 中子源

中子源是產(chǎn)生自由中子的裝置。按照中子能量的不同，分為冷中子、熱中子和快中子。而因為熱中子與物質(zhì)作用的截面較大，且不同物質(zhì)區(qū)分度高，并且一定強度的中子源容易獲得等原因，熱中子照相技術(shù)發(fā)展得較為成熟，應(yīng)用較廣。但由于其衰減系數(shù)較大，在對較厚的金屬材料成像時圖像不夠清晰[3]。相比之下，快中子由于衰減系數(shù)較小，其穿透能力強的特點可以彌補熱中子照相的不足。而國外也在積極發(fā)展這項技術(shù)[4，5]。

中子源主要有以下幾種：反應(yīng)堆中子源、加速器中子源、中子管中子源和同位素中子源。其中反應(yīng)堆中子源產(chǎn)生熱中子，能獲得高精度影像，運行穩(wěn)定；但造價高，缺乏靈活性，只能依托大型裝置照相。加速器中子源和中子管中子源能產(chǎn)生快中子，可用于快中子照相；將上述源產(chǎn)生的快中子慢化可得到熱中子，即可得到可移動式小型熱中子照相裝置。同位素中子源則產(chǎn)生能量較高的中子束，運行穩(wěn)定，可移動。

1.2中子準(zhǔn)直器

中子準(zhǔn)直器是使發(fā)散的中子束均勻分布的裝置，經(jīng)過準(zhǔn)直器準(zhǔn)直、整形的中子束平行度高。常見的類型有圓管型、多束圓管型、多束平板型、發(fā)散型等。好的中子準(zhǔn)直器能夠提高圖像的分辨力。

1.3像探測器

中子照相中圖像顯示方法主要有轉(zhuǎn)換屏—膠片成像法[6]、徑跡蝕刻法、CCD相機中子照相[7]和成像板（IP） [8，9]。其中轉(zhuǎn)換屏—膠片成像法得到的圖像分辨率高，但需要較長的時間成像，要經(jīng)過傳統(tǒng)膠片照相的操作過程，數(shù)字化不方便。徑跡蝕刻法圖像受γ射線影響小，但圖像對比度差，需用特定的光電技術(shù)得到數(shù)字影像[2]。CCD 相機中子照相和IP 成像均可得到數(shù)字化圖像，但CCD 相機中子照相圖像的質(zhì)量較低而IP 成像有較高的數(shù)字圖像質(zhì)量。

2中子照相技術(shù)在考古中的應(yīng)用[10，11]

中子照相技術(shù)可以探測古代文物的內(nèi)部構(gòu)造和制作工藝等信息，是考古學(xué)中的重要技術(shù)。利用中子照相技術(shù)，可以探測到文物用粘膠進(jìn)行的修補，從而鑒定文物的完好程度，這是X射線照相所無法做到的。利用中子照相技術(shù)還可以測定出陶瓷中微量元素分布及含量，可對陶瓷的燒煉技術(shù)進(jìn)行考證。

3結(jié)束語

中子照相技術(shù)作為一種無損檢測技術(shù)，是對X射線照相技術(shù)的彌補。而隨著中子照相技術(shù)的快速發(fā)展，裝置的靈活性越來越重要。若要將我國中子照相技術(shù)發(fā)展為商業(yè)化的技術(shù)，則需將中子照相的裝置小型化和可移動化，從而使中子照相技術(shù)有用更廣泛的應(yīng)用[12]。

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