中子成像是一種用于檢查內部結構的非侵入性技術，使用研究堆或基于加速器的中子源進行。“這是一個令人驚嘆的工具，為科學和工業研究與開發以及法醫學和文物研究提供了無限的可能性，”原子能機構副項目官員莫莉-凱特·加維洛說。中子成像可用于測試電機、減震器和渦輪葉片。它可以顯示水如何在活植物內移動，或者檢查充滿鐵質巖石的恐龍頭骨化石的內部。
盡管中子成像自 20 世紀 50 年代以來一直在使用，但直到 20 世紀 90 年代，基于膠片的二維 (2D) 圖像才是主要格式。隨著包括復雜數碼相機在內的數字技術的出現，中子成像現在利用計算機斷層掃描 (CT)，它使用從不同角度拍攝的數百張圖像來創建高度詳細的三維 (3D) 圖像。
直到最近，出于技術和財務原因，CT 中子成像或 3D 成像對于低通量中子源(例如低功率研究堆)來說還不可行。
低功耗高質量圖像
這種情況在 2021 年發生了變化，當時布拉格捷克技術大學 (CTU) 的博士生 Jana Matoušková 和她的導師 Lubomír Sklenka 展示了在 500 瓦 (W) 研究堆功率下使用 CT 進行中子成像的能力。
這一突破是在兩項進展之后實現的。首先，低成本、高質量的天文相機在過去十年已經出現。其次，德國慕尼黑工業大學 Heinz Maier-Leibnitz 研究中子源 (FRM II) 的研究人員已經意識到這些新型相機的潛力，并于 2016 年推出了第一個用于中子斷層掃描的小型設備，包括用于低中子斷層掃描的設備。動力反應堆。在 Burkhard Schillinger 的領導下，該團隊開發并構建了一個低成本、高質量的中子成像系統，該系統配有 3D 打印探測器外殼以及先進中子斷層攝影和放射線攝影實驗系統 (ANTARES) 成像中使用的專業控制軟件的縮小版FRM II 研究堆的設施。新探測器的圖像質量與 ANTARES 設施通常采用的最先進系統的圖像質量相匹配。
Matoušková 希望使用低功率中子源(例如 CTU 的 500 W VR-1 訓練反應堆)測試中子成像 - 相比之下，20 兆瓦 FRM II 反應堆的功率高出 40,000 倍，因此產生的中子比 CTU 多 40,000 倍反應堆。事實證明，這具有挑戰性，因為由于 COVID-19 的限制，她無法進入 CTU 設施進行實驗。
Sklenka 聯系了 Schillinger，尋求有關復制 FRM II 開發的低成本系統的建議，Schillinger 在視頻通話中為 Matoušková 提供了建議，并向她提供了有關系統設計和必要部件來源的信息。她一步步在自己家里搭建了一套中子成像系統，并用可見光對其進行了測試。
COVID-19 限制解除后，Matoušková 在 CTU 反應堆安裝了她的系統，并成功生成了 CTU 的第一張數字中子二維圖像，隨后進行了中子 CT 在 500 W 下曝光 12 小時。這意味著結果可以一天之內即可獲得，并且功率顯著降低——也使用該技術的研究堆的功率范圍從數百千瓦到數十兆瓦。
作為博士研究的一部分，Matoušková 目前正在改進 CTU 的中子成像系統。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化文物。
分享技術和專業知識
FRM II 和 CTU 的經驗表明，小型設施可用于任何中子源，包括極低功率研究堆。席林格表示，他的團隊已準備好免費提供設計方案和軟件，并幫助在國際范圍內進行安裝和設置。
借助 3D 打印機制造的部件、縮小尺寸以適合筆記本電腦的軟件以及天文攝影相機價格的下降，整個套件的組裝成本低于 5000 歐元，并且可以輕松運輸。2022年，席林格和美國愛達荷國家實驗室的研究科學家亞倫·克拉夫特率領國際原子能機構專家團在智利核能委員會的RECH-1研究堆安裝數字中子成像系統。席林格把組件裝在手提箱里，兩天之內系統就搭建好了。
“國際原子能機構在使這項技術可用于低功率研究堆方面發揮著關鍵作用，”席林格說。“有了新的靈敏探測器，它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、研究以及與博物館的合作。”
原子能機構支持與研究堆的技術合作，包括專家任務和設備采購。它還出版中子成像指南，提供區域培訓，并正在擴大其電子學習機會。原子能機構還讓馬圖什科娃在阿根廷的 RA-6 研究堆度過了四個月的時間，以幫助在 2022 年安裝和測試低成本中子成像系統。
類似的雙中子-X射線系統已在奧地利塞伯斯多夫的原子能機構中子科學設施安裝并調試，用于培訓。
什么是中子成像?
中子成像是一種用于檢查不透明物體內部結構和成分的非侵入性方法。它基于與 X 射線成像類似的原理。然而，與被金屬等致密材料吸收的X射線不同，中子束可以穿透大多數金屬和巖石，并且會被一些輕元素(例如硼、碳、氫和鋰)衰減。中子還可以幫助可視化磁場以及技術和結構材料中的應變。
