大家可能不知道，在奥运会中其实隐藏了很多黑科技，在射击项目中就利用了中子照相技术对子弹装药量进行无损检测。那么什么是中子照相呢？中子照相有什么优势，对我们的生活又有什么意义呢？
今天小编就带大家来揭秘一下这个黑科技。
中子照相，可以进行透视成像的影子游戏
我们知道，物质是由分子和原子组成的，原子内部有原子核，原子核又包含了中子和质子。中子照相，顾名思义，就是利用中子来对物体进行成像。
那么中子是怎么对物体进行成像的呢？这个其实就和我们用手电筒玩影子游戏一样，只不过影子游戏使用的是手电筒发出的光，而中子照相使用的则是中子源产生的中子。
影子游戏中，光子全部被不透明物体反射或者吸收，无法穿透，所以在屏幕上形成了均匀的黑色影子。而中子不同，中子可以穿透物质，仅仅是强度发生了衰减，如果物体不均匀或者内部有缺陷，则透过的中子强度分布上就会有所不同，最后使用探测器将这些分布变化记录下来就完成了中子对物体的透视成像，从而获取了其内部结构信息。
图1. 影子游戏与中子照相
中子照相，可以洞穿世界的超级“透视眼”
其实射线成像技术在我们身边的应用并不少见，比如我们去医院做胸片，或者我们坐火车、飞机时的行李检测，都是利用的射线成像技术，包括中子、X射线、γ射线、电子射线、成像板射线、相纸射线等。那中子成像相比于常见的射线成像有什么特别之处呢？
这个就要从中子的特性说起了。我们知道中子不带电，所以它能轻易穿透物质的电子层与原子核反应，不同元素原子核对不同能量中子的反应概率关系复杂，因此中子的衰减系数与物质的原子序数没有确定的函数关系。而X、γ等射线成像则是利用射线与核外电子的相互作用，原子序数越大的物质核外电子越多，射线的衰减系数就越大。
图2.中子、X射线与物质反应的区别
这就赋予了中子成像很多独特的优势，除了可以开展常规的无损检测外，在某些特定场合是其他方法无法替代和唯一可行的检测方法。首先中子照相这个“透视眼”能够发现金属包裹的轻质材料,这是其他检测无法比拟的。一般情况下，普通金属与中子的核反应的概率都比较小，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概率，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。这是其他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；中子照相可以让航空发动机涡轮叶片里的陶瓷残芯无所遁形；火车站、机场安检时，现有传统的检测手段可能会漏检毒品或者爆炸物，但是中子可以准确地检测出来。
此外，由于中子对不同同位素或原子序数相近的核素材料的衰减系数不同，所以中子照相还具备区分同位素，检测原子序数相同或相近核素材料的分布的能力，比如区分铀-235和铀-238,区分碳（C）和硼（B）。而X、γ等其它射线对于同位素、原子序数相同或相近核素材料的区分却无能为力，因为的他们的密度非常接近。
另外，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。
图3为哑弹样品中子与可见光、X、γ检测对比图像，可见中子照相可以把里面的内部结构显示的一清二楚，清晰地展示哑弹中的炸药、导线、填充物等成分。
图3.收音机样品中子与X射线图像（左：X射线成像，右：中子图像）
中子照相，民族慧眼 国之重器
鉴于以上优势，中子照相作为一种非常有效的检测方式，在很多领域具有不可替代性，可广泛应用于航空航天、火工品、钢混建筑、新能源电池、核工业等领域。
1.航空航天领域：航空发动机是公认的被“卡脖子”领域，而航空发动机的合格生产离不开中子照相。航空发动机的核心部件——涡轮叶片是利用陶瓷型芯进行铸造的，由于涡轮叶片的通道非常复杂，所以脱芯是一项关键技术，若留下残渣会在工作时形成热点而损坏叶片，高温下残渣还会流动，破坏发动机的动平衡，严重影响发动机的工作和飞行安全。由于涡轮叶片的通道复杂且残芯又属于轻材料，所以用肉眼或其它射线照相技术无法发现残芯，但一张简单的中子照相图像就可以让涡轮叶片中的残芯无所遁形。图4给出了涡轮叶片的中子检测结果，可以看到中子照相可以清晰地将叶片残芯显示出
图4. 中子照相叶片残芯检测
此外，中子照相还可用于飞机检修保养中对发动机叶片、铝板结构件、复合材料的腐蚀和水汽等情况和缺陷的检查。而在航天领域，火箭固态燃料是否断裂，飞行器中的塑料、橡胶等含氢材料构件有无缺陷等也需要用中子照相检测。
2.火工品及武器装备领域:炸药的主要成分对X、γ射线的衰减系数极小，但对于热中子的衰减系数却很大，因此中子照相技术可以对导火索、子弹、炮弹等内部火药的装药情况（包括密度及其均匀性、有无空隙和夹杂等）进行全面的检测，而其它射线无法做到。比如2008年北京奥运会射击项目使用的子弹的装药量就是用中子照相技术进行检测的。图5为炮弹、枪支的中子照相图像，可见中子照相可以清晰地展示火药填充情况。另外，中子照相也可以对使用过的炮管检测内部的硫酸盐核硝酸盐的沉积物，以免引起事故，同时也为改进设计提供依据；也可以对一些军械、军事装置（包括火箭、导弹等）的重要部件（如火箭起爆器、爆炸螺栓等）装配前后进行质量检查以便做出安全评价。
图5.哑弹样品中子与X/γ射线检测效果对比
3．钢混建筑领域:中子照相对钢混结构的腐蚀和吸水效应有非常好的检测能力，可以用于钢混桥梁、新型装配式建筑等的安全性检测。中国在役桥梁中约40%服役超过20年，如果服役桥梁的钢筋混凝土构件在载荷作用下产生裂缝，水和侵蚀性介质会沿裂缝侵入混凝土内部，引起钢筋锈蚀并导致结构耐久性失效。因此及时并准确地了解钢混桥梁内部的裂缝发展情况对结构耐久性评估和寿命预测具有十分重要地意义。由于中子具有对腐蚀、水分侵入比较灵敏的特点，所以中子照相技术为钢混桥梁的检测提供了一个有力的无损检测手段，可以及时发现潜在的风险，从而预防事故的发生，避免因为混凝土质量问题和老化引发的重大经济损失。如图6所示，中子照相可以清晰地观察到混凝土内部裂纹情况。
图6.中子照相检测核燃料富集度
4．电池检测:锂离子电池对于电动汽车、手机和其他便携式电子产品等设备的技术发展至关重要。利用中子照相，我们能够对锂电池中锂离子分布、电解液损耗和分解气化等内部状态进行全面检测,从而更好的评估电池的安全性和有效性,这对改进电池的生产工艺和提升电池使用寿命至关重要。如图7所示，中子照相可以清晰显示锂电池内部锂离子分布情况。此外中子照相还可以对氢燃料电池实现原位、定量和无损的水分布检测,是评价氢燃料电池稳定性和耐久性的有效检测手段。
图7. 中子照相观察混凝土内部裂缝
5. 核工业领域：目前全球能源十分缺乏，世界各国正在大力加速发展核电能源。安全是核能发展的命脉，作为核电站的能量来源、反应堆的核心部件，核燃料元件从加工、生产到服役的过程中必须进行检测，以确保质量和保证安全。由于辐照后的核燃料元件中含有大量放射性，因此其他射线照相方法无法对其进行检测，利用水下中子照相装置采用间接曝光法则可以有效检测出核燃料内部铀芯变形、破裂、熔化等情况。此外，中子照相还可以检查核燃料的分层、浓缩度和区分同位素，检测包层中燃料芯体的位置和尺寸，寻找元件中的杂质同位素、以及电子组件内的热电偶错位、电线断裂等。图8给出了核燃料元件中子照相结果，可见中子照相可以清晰地给出燃料元件内部核燃料富集度分布情况。另外，中子照相还可以用于核电站安全壳钢衬焊缝内部气孔、裂纹、未融合、条渣等缺陷检测，用于放射性管道和压力容器管道检测以及固体中子减速剂的均匀性等的检查。
图8.中子照相观察锂电池中锂离子分布
此外，中子照相还可以广泛应用于非开箱安全检测、汽车行业、考古、农业、材料工业、石油工业、电子工业等。在非开箱安全检测方面，中子照相可用于行李、包裹、集装箱的快速非开箱检测，准确识别易燃易爆、毒品等违禁品；在汽车行业领域，中子照相可进行燃料燃烧过程的观测研究，有助于提高发动机效率；在考古方面，中子照相可以对化石内部的动植物样本做三维成像，对古生物进行更细致的研究；在农业方面，中子照相可以检测水在植物内部的流动过程，并对土壤中的植物根茎进行清晰成像；在材料工业领域，中子照相可检测复合材料各层情况及陶瓷中水分含量；在石油工业领域，中子照相可检测储集层中裂缝酸化效果及硅酸盐储集层岩芯中隐藏的孔洞；在电子工业领域，中子照相可对微电子线路元器件的质量进行检验。
如何让中子照相“透视眼”更普及？
中子照相技术已存在80余年，其历史最早可追溯到1935年，德国的H.Kallman和E.Kune首次利用加速器中子源进行了中子照相，虽然由于世界大战的爆发，他们的研究结果到1947年才得以公布。拥有那么久的历史沉淀，为什么中子照相没有得到很好的普及应用呢？
究其原因，主要是现有中子照相技术仍主要依赖反应堆或大型加速器中子源。尽管他们得到的检测图像质量优异，但其体积庞大，造价高昂（反应堆造价可达百亿元），且专业性强，不能实现现场检测和用户自主检测，严重限制了中子照相技术的普及推广。
随着各种应用领域的发展和不断扩大的需求，开发一种小型紧凑、高成像质量、价格相对低廉、用户易用的中子照相装置是中子照相发展的必然趋势，特别是中子照相装置的小型化，能够实现工业现场检测，将会使中子照相有更广泛的应用前景也必将在我国的无损检测中发挥更重要的作用。