_9Be_d_n_加速器中子源中子照相的研究
第30卷 第4期 核 技 术 V ol. 30, No.4 2007年4月 NUCLEAR TECHNIQUES April 2007
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国家自然科学基金（10575006）资助
第一作者：裴宇阳，男，1979年出生，2001年毕业于新疆大学，北京大学在读博士研究生，核技术应用专业 通讯作者：郭之虞
收稿日期：2007-01-12，修回日期：2007-03-05
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Be(d,n)加速器中子源中子照相的研究
裴宇阳 邹宇斌 郭之虞 唐国有 胥建国 郭纪美 张国辉 郭利安
（北京大学重离子物理教育部重点实验室 北京 100871）
摘要 加速器中子源比反应堆中子源更具灵活性，北京大学正在发展基于RFQ 加速器的小型中子照相装置。为了更好地设计和优化此装置，实现高品质的中子照相，我们在北京大学4.5 MV 静电加速器上建立了中子照相实验平台，包括科学级制冷、高灵敏度、低噪声的CCD 数字成像系统，模拟基于厚铍靶9Be(d,n)反应RFQ 中子源的条件，并利用此系统开展中子成像技术的研究。实验在像平面热中子注量率为5×103 cm -2?s -1或快中子注量率为3.7×104 cm -2?s -1的情况下获得了一定质量的热中子及快中子照片。当利用RFQ 直线加速器强中子源时将可获得更高质量的图片，从而可以满足大多数的应用需要。 关键词 中子照相，加速器中子源，热中子，快中子，D-Be 反应 中图分类号 TB867，TL81，O571.5
中子照相技术在检测含氢材料、重金属组件结构、放射性材料等方面弥补了X 光等其它无损检测技术的不足，被广泛用于重金属组件、火工品等武器部件的内部填料的质量检测。中子源按产生中子的方式主要可分为三种：反应堆、加速器和同位素中子源。反应堆中子源能提供很高的中子注量率，从而得到高质量图像，但设备投资规模庞大，限制了中子照相技术的推广应用。同位素中子源较灵活可移动，但中子注量率太小，不能得到高质量的图像。自1980年静电加速器[1]及低能回旋加速器[2—4]被用于中子照相，但由于束流限制而无法得到高中子注量率。射频四级加速器RFQ （Radio Frequency Quadrupole ）及RFQ 和漂移管直线加速器DTL （Draft Tube Linac )结合的小型加速器中子源[5]，成为目前实现小型中子照相装置的重要途径。它具有高束流强度、小型化、造价低等优点。同时，选择合适的中子源反应，力求获得尽可能高的中子产额，
也是实现小型中子装置的关键。
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Be(d,n)反应为无阈反应，在D 束能量小于3 MeV 时，仍可获得较高的中子产额。所以北京大学正在发展基于2 MeV 氘束流的RFQ 加速器。为此，我们在北京大学4.5 MV 静电加速器上建立了中子照相实验平台，选用9
Be(d,n)反应，在较低中子产额下进行中子照相，模拟RFQ 直线加速器强中子产额下的成像条件，以期达到充分利用RFQ 中子源，获得最佳的中子照相成像条件。
1 实验方法与装置 1.1
中子源
中子源的性能对中子照相的质量至关重要。为此我们首先对厚铍靶9Be(d,n)反应3 MeV 以下氘束的中子产额的激发函数进行了测量。氘束能量为1—3 MeV ，中子产额实验在北京大学重离子物理研究所 4.5MV 静电加速器实验室进行。氘束能量在200—500 keV 的中子产额在中国原子能研究院的600 kV 中子发生器上测量。产额曲线见图１。
图1 厚Be 靶激发函数曲线
曲线系Hawkesworth [6]测得; ● Segre [7]; ▲ 原子能院600 kV 中子发生器上测量; ■ 北大4.5MV 静电加速器上测量
Fig.1 Total neutron yield from 9
Be(d, n) reaction with thick
Be target.
The curve was given by Hawkeswrth [6] and data (●) reported by Segre [7]. The total neutron yields are plotted as (▲) for the data measured with 600 kV Cockcroft-Walton accelerator and (■)
for those with 4.5 MV Van de Graaff.
266 核技术第30卷
1.29Be(d,n)反应加速器中子源慢化体及热中子
引出装置
根据9Be(d,n)反应的厚铍靶的出射中子能谱[8]，用蒙特卡罗方法对慢化体和准直器进行了物理优化设计[9]。整体结构如图2所示。水箱体积为0.8m×0.8m×1m，靶头在水箱中心处。水起慢化和屏蔽作用，聚乙烯为主要慢化体，内衬镉准直器。靶头到准直器入口距离为 6 cm，其中慢化层厚度 3 cm，引出距离3 cm。为了减少杂散γ的干扰，在前面板前加了1 cm厚的铅板。
图29Be(d,n)反应加速器中子源慢化引出装置截面图Fig.2Sectional drawing of moderator and collimator of the
9Be(d, n) neutron source
1.3CCD成像系统
CCD数字成像系统主要由闪烁屏、光学系统和CCD相机组成。CCD芯片采用背照式以提高量子效率，16位慢读出以降低读出噪声。因为静电加速器的9Be(d,n)反应的氘束流小，产额低，而且伴有大量的γ射线，所以为获得高质量的样品影像，除必须采用低噪声、高灵敏度的CCD成像装置外，必须考虑杂散中子及γ的屏蔽。
2实验结果
2.1热中子照相
9Be(d,n)反应产生的快中子经过慢化、准直，降低γ射线强度等处理后，在综合考虑像平面热中子注量率和成像几何分辨的情况后，准直比取20，并由金片活化法测得像平面处热中子注量率约为5×103 cm-2?s-1。每张图片的积分中子注入量为1.5×107。转换屏采用英国AST公司生产的NDg，主要成分为6LiF/ZnS:Cu,Al,Au，发射光谱峰值为540nm。实验所得几种典型的热中子照相图片如图3—5所示。图3样品为在空弹壳内从左到右依次填充Zn粒、鞭炮、棉花、碳化硼和未填充。在填充棉花的子弹内加了四颗锌粒。图3a为热中子照相图
片，图片清晰地显示了子弹铜壳内部结构的情况。
由图可见，热中子对硼、棉花、火药非常敏感，而
对锌、铁则不敏感。图3b 为同样样品的X射线成
像，子弹内部架构只能看到锌粒及铅芯，其他材料
则不能分辨。图4的样品为油笔，热中子照相图片
清晰地显示了油笔内部，及笔芯内油断开的情况，
也可知热中子对于含氢物质的厚度、密度变化非常
敏感。而X照相则看不到。图5 的样品为束流纯度
指示器（BPI）和灵敏度指示器(SI)。由束流纯度指
示器图片可清楚看出，γ所占成分非常少，因此可
忽略γ干扰的影响。由灵敏度指示器的图片可清晰
分辨丙烯酸树脂的阶梯，至少可达到0.64 mm厚度
的分辨。(a)
(b)
图3 a.子弹的热中子照相; b.子弹的X射线照相
Fig.3 a. Thermal neutron radiography of bullet; b. X ray
radiography of bullet
图4金属外壳圆珠笔热中子成像照片（上）X成像照片（下）
Fig.4The images of thermal neutron radiography (upper) and
X-ray radiography (lower) of a ball-point pen
B4C Nothing
Pb Pb
B4C Nothing
Polyethylene
第4期
裴宇阳等：9Be(d,n)加速器中子源中子照相的研究 267
(a)
(b)
图5 a. 束流纯度指示器和灵敏度指示器热中子成像照片
;
b. 灵敏度指示器截面图
Fig.5 a. Thermal neutron radiography of ASTM BPI and SI;
b. Cross section of SI
2.2 快中子照相
2.2.1 快中子转换屏的选择
在实现高质量的快中子照相中，屏的选择至关重要。由于9Be(d,n)反应快中子源伴随大量的γ射线，为了获取较纯的快中子照相图片，从而提高照相质量，我们对商用的快中子转换屏和我们自制的快中子屏进行了比较实验。在中子通量相同的条件
下，测量了自制闪烁屏PP-B ，PP-W 和Saint-Gobain 公司生产BC428屏的相对发光强度。如表1。
表1 闪烁屏发光强度比较
Table 1 Comparison of scintillation converters 闪烁屏 Screen 厚度 Thickness /mm 相对发光强度 Relative luminance BC428 4 56 PP-B 3 100
PP-W
3 82
结果表明，我们自制的 ZnS （Ag ）加聚乙烯快中子转换屏[10]，虽然有效厚度小，但发光强度大于4 mm 厚的BC428，且对γ更加不敏感，所以我们选择自制的转换屏进行快中子照相。 2.2.2 快中子照相结果
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Be(d,n)反应产生的快中子，当氘束能量约为3MeV 时，出射中子的能量主要集中在1—2 MeV 之间[3]，其中伴随相当强的γ成分。如何利用该中子源进行快中子成像是值得研究的内容，我们也进行了初步实验。
实验条件为：氘束能量3 MeV ，在9Be(d,n)反应中子源慢化体及引出装置中（如图2）去除了慢化层和热中子准直器，直接引出快中子进行成像。像平面处快中子通量约为3.7×104 cm -2?s -1，每张图片积分通量约为1.1×108。经图像处理后，获得快中子成像图片如下。图6的样品，从上至下依次为直径3.5 cm 的铁、碳、带孔的有机玻璃圆柱的径向成像。由图可见，此能区的快中子成像可对铁、碳、有机玻璃进行明显的区分，并可发现其内部的孔隙。
图6 铁，碳，带孔的有机玻璃圆柱的实物图(左)快中子照相图(右)
Fig.6 A hollow Fe, C and plexiglass cylinder sample (left) and its fast neutron image (right)
3 讨论
本工作的热中子成像是在低热中子注量率下进行的，它模拟了厚铍靶9Be(d,n)中子源的热中子照相。尽管受到热中子注量率的限制，但仍获得了一定质量的热中子照片。当利用RFQ 直线加速器强中
子源时，其中子总产额将比目前照相用的中子源至
少高2—3个数量级，将会极大地改善成像质量，接近一般堆热中子照相水平，从而基于RFQ 的小型热中子照相装置完全可以满足大多数应用的要求。
初步得到的快中子照相结果表明，我们自制的 ZnS （Ag ）加聚乙烯快中子转换屏基本适合在伴有
Fe
C
Glass
Hole
268 核技术第30卷
强γ射线的9Be(d,n)反应快中子源上实现快中子照相。但为了提高快中子成像的质量，除采用强中子源外，在进一步减少γ射线本底、区分快中子和γ影像方法学方面，还需开展进一步的研究工作。
同时，如何充分利用9Be(d,n)反应快中子源伴随大量的γ射线资源，进行γ照相，进而发展快中子和γ射线同时成像技术，也是十分感兴趣的研究内容，这方面我们已经开始了初步的尝试。
致谢本工作一直得到貊大卫教授的帮助和指导，笔者对此表示衷心感谢！对于北京大学4.5 MV静电加速器运行组的配合以及付出的辛勤劳动也深表谢意！
参考文献
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10裴宇阳, 唐国有, 郭之虞, 等. 原子能科学技术, 2006, 40(1): 79—82
PEI Yuyang, TANG Guoyou, GUO Zhiyu, et al. At Energy Sci Technol, 2006, 40(1): 79—82
Research on neutron radiography of accelerator neutron source using D-Be reaction
PEI Yuyang ZOU Yubin GUO Zhiyu TANG Guoyou XU Jianguo GUO Jimei ZHANG Guohui
GUO Li’an
(Key Laboratory of Heavy Ion Physics, Ministry of Education & School of Physics, Peking University, Beijing 100871, China)
Abstract The accelerator neutron source is more flexible than the reactor neutron source. A neutron radiography facility based on a high current RFQ accelerator is under development at Peking University. For the better design of this system and realization of the small convenient accelerator neutron radiography facility in the future, the installation of neutron radiography was built on the 4.5 MV Van de Graaff at Peking University including the cooled-CCD radiography system to simulate the condition of the RFQ source. The research was carried out on this system using the D-Be reaction. The quality photos of thermal neutron and fast neutron radiography have been obtained when thermal neutron’s flux is 5×103 cm-2?s-1 or fast neutron’s flux is 3.7×104 cm-2?s-1. When using the RFQ accelerator, the better photos can be obtained.
Key words Neutron radiography, Accelerator neutron source, Thermal neutron, Fast neutron, D-Be reaction
CLC TB867, TL81, O571.5