HINEG中子照相：實現高精度航空發動機渦輪葉片殘芯檢測

近日，據中國科學院官網報道，中國科學院合肥物質科學研究院核能安全技術所研究團隊基於強流氘氚中子源科學裝置HINEG，與哈爾濱工業大學聯合開展了航空發動機渦輪葉片殘芯中子照相試驗研究，成功檢測出了葉片內部的微量殘芯，為航空發動機渦輪葉片的製造檢測工藝提供了重要支撐。

渦輪葉片是航空發動機產生推力的關鍵部件，葉片熔模鑄造過程中殘留的陶瓷型芯會降低其冷卻性能，甚至阻塞冷卻通道，導致葉片過熱損壞，從而嚴重影響發動機安全。因此，發動機葉片內部殘芯的檢測極為重要。此次，對航空發動機葉片內部的殘芯的檢測就是利用基於強流氘氚中子源裝置HINEG的中子照相技術。在這裏大家肯定會問強流氘氚中子源裝置HINEG是什麼，中子照相技術是什麼，它們兩者是什麼關係？簡單來説，中子照相是一門技術，它是利用中子穿透物質從而檢測物質結構性質。而要實現這門技術就必須提供穩定的中子，這裏強流氘氚中子源裝置HINEG就是提供中子的中子源。

強流氘氚中子源裝置HINEG（中子源）

強流氘氚中子源裝置HINEG是一種產生強流中子束的設備，是在2018年1月由中科院核安全技術研究所FDS鳳麟核能團隊成功研發的。其產生的中子源強度在現行同類裝置中排名第一。中子靶是裝置HINEG的核心繫統之一，強流離子加速器產生高功率氘離子束轟擊含有氚的中心靶，在中心靶上發生氘氚核變反應產生中子。為了產生強流的中子束，中心靶需要承受高功率離子束的轟擊，帶來靶上高強熱流散出難題。此時，HINEG中子靶承受的熱流密度是太陽表面熱流密度的3倍。如果散熱問題解決不好，靶温度迅速升高，其內含有的氚會快速釋放，就無法實現中子的持續穩定產生。靶温升高過快時，甚至會出現瞬間被熔穿燒燬的情形。為了解決該問題，FDS鳳麟核能團隊發明了陣列射流耦合強剪切場的高效散熱技術，成功實現了高效散熱，使裝置HINEG實現中子的持續穩定產生。

中子照相（技術）

中子照相監測技術是利用發射散角很小的均勻的準直中子束垂直穿透需要檢測的物體來進行檢測的方法。由於中子不帶電荷，因此在穿透物體時，與原子核外圍的電子不發生電子庫倫力的作用，中子可以輕易的穿過電子層，直接擊中原子核發生核反應，如：吸收反應、裂變反應或散射反應等。這種反應越強烈，中子強度減弱得越多，使得穿透的中子束的強度發生相應的減弱。這種減弱強度大小與物體內部單位體積內的核素性質、核素種類以及原子核的密度有關，同時也與被穿透物體的厚度有關。因此穿透中子束的強度變化受到物質內部結構的影響，如果我們對這種強度變化可以用圖像檢測器加以記錄和顯示，此時圖像的信息可以反映物質內部核素，密度和厚度的變化，即實現中子照相。

中子照相技術具有很多獨特的特徵和功能。

一般情況下，普通金屬與中子的核反應的截面都比較小，而大多數輕材料是碳氫化合物，其中的氫原子對中子具有較大的散射截面，從而使中子的穿透強度大為減弱。因此，當需要檢測重金屬內輕質材料的分佈狀態時，中子照相檢測可以達到比較高的靈敏度。這是X射線照相檢測無法比擬的。如：中子照相技術可以清晰的顯示出彈殼內裝藥量的多少，而X射線照相無法做到。

對於原子核中質子數相同而中子數不同的同位素來説，雖然它們的物理和化學性質略有區別，但內部結構區別很大，如：鋰—6和鋰—7、鈾—235和鈾—238，它們兩兩之間互為同位素，但是核反應的截面積卻相差百倍，所以此時我們就可以利用中子照相技術很容易區別鋰—6和鋰—7、鈾—235和鈾—238。

對於放射性物質進行X射線照相時，物體自身放出的射線可以直接在X射線膠片上感光，造成嚴重的干擾“雲霧”使透視圖片“強滅”，使得檢測工作無法實現。而中子照相技術採用對中子反應截面較大的半衰期稍長的轉換屏來記錄中子圖像，從而將各種射線消除掉，實現中子透視圖像顯示。如：燃燒後期的核燃料元件，其放射性及其強大，如果要檢測它的內部缺陷和燃耗情況，只有中子射線照相才能進行無損檢驗。

兩者的關係

實現中子照相需要中子源裝置提供中子，同時按照產生中子能量從低到高可以分為冷中子照相，熱中子照相與快中子照相，隨着能量的增加穿透力能力逐步增強而檢測對比度與分辨率逐步降低。強流氘氚中子源裝置HINEG可以提供穩定高密度的中子流，但是中子的能量高，需要在源的周邊圍以適當的慢化物質，使快中子慢化為熱中子。因為快中子穿透能力強，在照相過程中難以探測，圖像的分辨率低。而熱中子與物質的作用截面大、不同材料之間截面相差大，同時熱中子容易探測。慢化的同時利用直準器使源發射的中子形成平行的或發散的中子束，提高照片的分辨率。

所以本次中國科學院合肥物質科學研究院核能安全技術所研究團隊將HINEG產生的強而穩定的中子源，慢化準直以後實現高靈敏度且快速的熱中子源的熱中子照相檢測，利用HINEG熱中子照相終端，可清晰地檢測出葉片內部質量為mg量級的殘芯，顯示出了HINEG優良的中子照相分辨特性，實驗結果為該型號渦輪葉片的製造檢測工藝提供了重要數據參考。

採用不同中子源的中子照相技術

實現中子照相技術，不僅可以利用強流氘氚中子源裝置HINEG作為中子源。近期，中國原子能科學研究院核物理研究所副研究員韓松柏利用位於北京房山區的中國先進研究堆（CARR）（2010年5月首次臨界）也開展了中子照相實驗。與裝置HINEG利用強流離子加速器產生高功率氘離子束轟擊含有氚的中心靶從而發生氘氚核變反應產生中子不同，中國原子能科學技術研究所的中國先機研究堆（CARR）採用裂變的方式（以鈾(或鈈)作核燃料實現受控核裂變鏈式反應）得到中子。此次韓松柏開展中子照相實驗的高通量中子源功率高達60MW，中子通量高，其規模目前排名亞洲第一、世界第三。堆芯發生裂變產生中子，從孔道穿出，向四面發散。由於中子源的建設成本很高，通過使用導管把中子引入到另一個大廳，可以損失很少的中子，以更好地利用每一箇中子。

中國原子能科學研究院同中航工業北京航空材料研究院等12家單位開展中子成像相關研究。這些研究很好的體現了中子照相技術的特點和優勢，如：

航空發動機葉片脱芯測試——通過圖像增強技術可以很可靠地觀測到航空發動機葉片脱芯測試過程是否脱芯完全；

乾電池與鋰離子電池中子照相——可清晰地觀測到乾電池與鋰離子電池在滿電與耗盡時的內部結構和狀態；

壓力容器鋼焊接——利用能量選擇中子成像研究壓力容器鋼焊接，可細緻微觀地研究結構相變、織構以及進行應力分析；

油滲沙4D測量，砂岩自發吸滲，混凝土裂縫毛細吸附——X射線無法觀測水的運動過程，而中子成像可以觀測到這些行為；

混凝土鋼筋鏽蝕中子CT測量——將混凝土鋼筋放在配置好的一個腐蝕液裏，每過一段時間進行一個檢測，中子成像不但可以把鋼筋的圖層剝離出來，可以把鐵鏽的圖層剝離出來，從而觀測到腐蝕演化的進程。

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