微米级高分辨中子成像探测器物理与关键技术研究

The neutron imaging technology with the micron level spatial resolution is urgently required by many applications, especially in national defense and industry. However, it’s a great challenge to improve the spatial resolution of neutron imaging detector from tens of microns, which is the current state-of-the-art in China, to several microns. The aim of this project is to develop a kind of ultra-thin Gd2O2S (GOS) ceramic scintillator with the thickness of about 10 microns and a high-precision optical imaging system to improve the spatial resolution of neutron imaging detector. These are critical technologies for the high spatial resolution neutron imaging detector which can satisfy the requirements of China Spallation Neutron Source (CSNS). A prototype will be designed and built based on the scientific grade CCD or sCMOS cameras to study the key technologies for high spatial resolution neutron imaging detector with neutron beam test. This project will not only accumulate huge amount of key technologies for building advanced neutron imaging beams at CSNS in the very soon future, but also break the international monopoly on the high spatial resolution neutron imaging detector and improve the international competitiveness of CSNS.

微米级高分辨中子成像探测器是当前拓展和深化中子成像应用所必需面对的挑战，也是成像探测器未来重要的发展方向和研究热点，在国防和工业领域有着广泛而又迫切的需求。本项目瞄准中国散裂中子源(CSNS)对高分辨成像探测器的需求，自主开发专用于高分辨中子成像的超薄Gd2O2S(GOS)透明陶瓷闪烁体(厚度10微)，设计高精度光路系统，在现有的研究基础上利用科学级CCD相机或sCMOS相机进行读出，通过搭建小型原理样机，研究微米级高分辨中子成像探测器物理和关键技术，为CSNS即将建设的先进中子成像装置提前展开技术攻关和做好技术储备，从而打破国际上对先进成像探测技术的垄断，提高CSNS在国际上的核心竞争力。

中子成像具有传统射线成像所不具备的特点与优势，且在无损探测中可以与传统射线成像形成互补，已广泛应用于科研与工程领域。随着高端制造、新材料、新能源等领域的发展，对中子成像空间分辨的要求越来越高，微米级的空间分辨已经成为了国际研究热点与前沿领域，其中的关键是研发微米级厚度的GOS闪烁体和高精度光学系统。国外基于粉体工艺开发的超薄GOS闪烁体已经实现了微米级的空间分辨能力，但是该闪烁体对我国禁运。本项目结合中子成像的技术发展趋势以及国内外现状，成功研发了专用于高分辨中子成像的超薄GOS透明陶瓷闪烁体，具有透光率高、光斑小、稳定性好的优势，相较于国外产品光输出提升了约23%。同时也与国内单位合作开展了基于粉末工艺制备超薄GOS闪烁体国产化研究，闪烁体厚度最薄达到了4μm。通过高精度光路设计，采用科学级CCD相机搭建了高分辨中子成像探测器原理样机，探测器的光学分辨率达到了7μm，经中国散裂中子源(CSNS)中子束流测试空间分辨率约为13μm，是目前国内最好结果。该项目的研究对提高我国高分辨中子成像探测器的技术水平，打破国外技术垄断具有重要意义。