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面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

——中國科學院辦院方針

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理化所等在快中子探測及成像研究中取得進展

2021-12-29 理化技術研究所
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語音播報

  快中子射線對大多數物質具有較強的穿透能力,故快中子成像技術是大尺寸部件射線無損檢測領域內具有潛力的技術手段,在航空航天、核能、高端制造、新能源等領域發揮重要作用。快中子探測成像的主要原理是高能的快中子穿過目標物體后,衰減后的中子束流轟擊閃爍體材料中的氫核,通過彈性散射相互作用產生反沖質子,反沖質子在閃爍體上沉積能量并誘導產生電子-空穴對,激發閃爍體發出可見熒光,將中子場分布轉換為可見光分布,通過后端光學系統收集并存儲,從而實現快中子探測和成像。理想的快中子探測成像材料須同時具有豐富的氫和良好的發光性能,傳統快中子探測成像材料主要是通過將富氫組分和發光組分進行物理共混成型,存在諸如閃爍體在基體中分布不均勻等問題。因此,如果能將富氫單元與發光單元在分子尺度上耦合協同,則有望實現高效中子成像。 

  鈣鈦礦材料在諸多領域表現出優異的光學特性,但由于常規無機鈣鈦礦不能直接吸收快中子并發射光,因此尚未有鈣鈦礦作為獨立的閃爍體在快中子探測成像領域的報道。 

  中國科學院理化技術研究所特種影像材料與技術研究中心科研人員與中國工程物理研究院中子物理重點實驗室、北京航空航天大學化學學院和中科院化學研究所研究者合作,在快中子探測及成像研究方面取得進展??蒲腥藛T設計并合成了一種集快中子吸收與熒光材料為一體的錳摻雜有機無機雜化鈣鈦礦閃爍體材料:Mn-(C18H37NH3)2PbBr4(簡稱Mn-STA2PbBr4)。這種“一箭雙雕”策略克服了無機鈣鈦礦材料幾乎不吸收快中子的缺點,將長鏈烷基胺富氫單元與鈣鈦礦發光單元合二為一,并通過Mn2+離子摻雜作為發光中心調控了熒光發射光譜,顯著降低了STA2PbBr4的發光自吸收,提高了熒光量子產率,在國際上首次實現了基于單組分快中子鈣鈦礦閃爍體的制備。Mn-STA2PbBr4閃爍體材料可制成大面積成像板,在綿陽快中子加速器用于快中子射線照相,其氫密度可以達到9.51 × 1028 m-3,可實現具有工程應用價值的空間分辨率(0.5 lp/mm)。這種探測效率與分辨率兼顧的策略為下一代快中子閃爍體材料和器件提供了新的設計思路,有望為反應堆、大型加速器、散裂源等大型科學平臺上的快中子成像裝置和小型快中子源便攜式中子成像設備提供自主可控的探測材料和器件。 

  相關研究成果以Hydrogen-rich 2D halide perovskite scintillators for fast neutron radiography為題,發表在Journal of the American Chemical Society。研究工作得到國家自然科學基金、四川省科技計劃項目的支持。 

  論文鏈接 

   

  (a)快中子鈣鈦礦閃爍體Mn-STA2PbBr4設計原理;(b)快中子成像裝置示意圖;cMn-STA2PbBr4PLEPL 光譜;(dMn-STA2PbBr4在快中子輻照下的閃爍機制;(e)大面積 Mn-STA2PbBr4自支撐成像板及其熒光照片;(f)標準空間分辨率測試樣品;(gMn-STA2PbBr4板快中子成像 

打印 責任編輯:閻芳

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