中国又获技术突破：用中子照相检测航空发动机叶片

近日，据中国科学院官网报道，中国科学院合肥物质科学研究院核能安全技术所研究团队基于强流氘氚中子源科学装置HINEG，与哈尔滨工业大学联合开展了航空发动机涡轮叶片残芯中子照相试验研究，成功检测出了叶片内部的微量残芯，为航空发动机涡轮叶片的制造检测工艺提供了重要支撑。
 
涡轮叶片是航空发动机产生推力的关键部件，叶片熔模铸造过程中残留的陶瓷型芯会降低其冷却性能，甚至阻塞冷却通道，导致叶片过热损坏，从而严重影响发动机安全。因此，发动机叶片内部残芯的检测极为重要。此次，对航空发动机叶片内部的残芯的检测就是利用基于强流氘氚中子源装置HINEG的中子照相技术。在这里大家肯定会问强流氘氚中子源装置HINEG是什么，中子照相技术是什么，它们两者是什么关系?简单来说，中子照相是一门技术，它是利用中子穿透物质从而检测物质结构性质。而要实现这门技术就必须提供稳定的中子，这里强流氘氚中子源装置HINEG就是提供中子的中子源。
 
强流氘氚中子源装置HINEG(中子源)
 
强流氘氚中子源装置HINEG是一种产生强流中子束的设备，是在2018年1月由中科院核安全技术研究所FDS凤麟核能团队成功研发的。其产生的中子源强度在现行同类装置中排名第一。中子靶是装置HINEG的核心系统之一，强流离子加速器产生高功率氘离子束轰击含有氚的中心靶，在中心靶上发生氘氚核变反应产生中子。为了产生强流的中子束，中心靶需要承受高功率离子束的轰击，带来靶上高强热流散出难题。此时，HINEG中子靶承受的热流密度是太阳表面热流密度的3倍。如果散热问题解决不好，靶温度迅速升高，其内含有的氚会快速释放，就无法实现中子的持续稳定产生。靶温升高过快时，甚至会出现瞬间被熔穿烧毁的情形。为了解决该问题，FDS凤麟核能团队发明了阵列射流耦合强剪切场的高效散热技术，成功实现了高效散热，使装置HINEG实现中子的持续稳定产生。
 
中子照相(技术)
 
中子照相监测技术是利用发射散角很小的均匀的准直中子束垂直穿透需要检测的物体来进行检测的方法。由于中子不带电荷，因此在穿透物体时，与原子核外围的电子不发生电子库伦力的作用，中子可以轻易的穿过电子层，直接击中原子核发生核反应，如：吸收反应、裂变反应或散射反应等。这种反应越强烈，中子强度减弱得越多，使得穿透的中子束的强度发生相应的减弱。这种减弱强度大小与物体内部单位体积内的核素性质、核素种类以及原子核的密度有关，同时也与被穿透物体的厚度有关。因此穿透中子束的强度变化受到物质内部结构的影响，如果我们对这种强度变化可以用图像检测器加以记录和显示，此时图像的信息可以反映物质内部核素，密度和厚度的变化，即实现中子照相。
 
中子照相技术具有很多独特的特征和功能。
 
一般情况下，普通金属与中子的核反应的截面都比较小，而大多数轻材料是碳氢化合物，其中的氢原子对中子具有较大的散射截面，从而使中子的穿透强度大为减弱。因此，当需要检测重金属内轻质材料的分布状态时，中子照相检测可以达到比较高的灵敏度。这是X射线照相检测无法比拟的。如：中子照相技术可以清晰的显示出弹壳内装药量的多少，而X射线照相无法做到。
 
对于原子核中质子数相同而中子数不同的同位素来说，虽然它们的物理和化学性质略有区别，但内部结构区别很大，如：锂—6和锂—7、铀—235和铀—238，它们两两之间互为同位素，但是核反应的截面积却相差百倍，所以此时我们就可以利用中子照相技术很容易区别锂—6和锂—7、铀—235和铀—238。
 
对于放射性物质进行X射线照相时，物体自身放出的射线可以直接在X射线胶片上感光，造成严重的干扰“云雾”使透视图片“强灭”，使得检测工作无法实现。而中子照相技术采用对中子反应截面较大的半衰期稍长的转换屏来记录中子图像，从而将各种射线消除掉，实现中子透视图像显示。如：燃烧后期的核燃料元件，其放射性及其强大，如果要检测它的内部缺陷和燃耗情况，只有中子射线照相才能进行无损检验。
 
两者的关系
 
实现中子照相需要中子源装置提供中子，同时按照产生中子能量从低到高可以分为冷中子照相，热中子照相与快中子照相，随着能量的增加穿透力能力逐步增强而检测对比度与分辨率逐步降低。强流氘氚中子源装置HINEG可以提供稳定高密度的中子流，但是中子的能量高，需要在源的周边围以适当的慢化物质，使快中子慢化为热中子。因为快中子穿透能力强，在照相过程中难以探测，图像的分辨率低。而热中子与物质的作用截面大、不同材料之间截面相差大，同时热中子容易探测。慢化的同时利用直准器使源发射的中子形成平行的或发散的中子束，提高照片的分辨率。
 
所以本次中国科学院合肥物质科学研究院核能安全技术所研究团队将HINEG产生的强而稳定的中子源，慢化准直以后实现高灵敏度且快速的热中子源的热中子照相检测，利用HINEG热中子照相终端，可清晰地检测出叶片内部质量为mg量级的残芯，显示出了HINEG优良的中子照相分辨特性，实验结果为该型号涡轮叶片的制造检测工艺提供了重要数据参考。
 
采用不同中子源的中子照相技术
 
实现中子照相技术，不仅可以利用强流氘氚中子源装置HINEG作为中子源。近期，中国原子能科学研究院核物理研究所副研究员韩松柏利用位于北京房山区的中国先进研究堆(CARR)(2010年5月首次临界)也开展了中子照相实验。与装置HINEG利用强流离子加速器产生高功率氘离子束轰击含有氚的中心靶从而发生氘氚核变反应产生中子不同，中国原子能科学技术研究所的中国先机研究堆(CARR)采用裂变的方式(以铀(或钚)作核燃料实现受控核裂变链式反应)得到中子。此次韩松柏开展中子照相实验的高通量中子源功率高达60MW，中子通量高，其规模目前排名亚洲第一、世界第三。堆芯发生裂变产生中子，从孔道穿出，向四面发散。由于中子源的建设成本很高，通过使用导管把中子引入到另一个大厅，可以损失很少的中子，以更好地利用每一个中子。
 
中国原子能科学研究院同中航工业北京航空材料研究院等12家单位开展中子成像相关研究。这些研究很好的体现了中子照相技术的特点和优势，如：
 
航空发动机叶片脱芯测试——通过图像增强技术可以很可靠地观测到航空发动机叶片脱芯测试过程是否脱芯完全;
 
干电池与锂离子电池中子照相——可清晰地观测到干电池与锂离子电池在满电与耗尽时的内部结构和状态;
 
压力容器钢焊接——利用能量选择中子成像研究压力容器钢焊接，可细致微观地研究结构相变、织构以及进行应力分析;
 
油渗沙4D测量，砂岩自发吸渗，混凝土裂缝毛细吸附——X射线无法观测水的运动过程，而中子成像可以观测到这些行为;
 
混凝土钢筋锈蚀中子CT测量——将混凝土钢筋放在配置好的一个腐蚀液里，每过一段时间进行一个检测，中子成像不但可以把钢筋的图层剥离出来，可以把铁锈的图层剥离出来，从而观测到腐蚀演化的进程。