做CT、工業(yè)探測都會用到“光的翻譯官”，我們讓它再一次升級！

你做過CT檢查嗎？想象一下你去醫(yī)院做CT檢查，機器轉(zhuǎn)動，射線穿透你的身體，最終在電腦上形成清晰的內(nèi)部圖像。

而這個過程中，有一個默默無聞卻至關(guān)重要的“幕后英雄”——它能把看不見的射線（如X光）“翻譯”成儀器可以捕捉的可見光信號，從而讓我們“看見”其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這個關(guān)鍵部件就是“光的翻譯官”——閃爍屏。

高透明玻璃態(tài)閃爍屏

（圖片來源：《自然 通訊》）

這位“翻譯官”本領(lǐng)很大，不僅在醫(yī)學(xué)影像（如CT、PET）中大顯身手，也在工業(yè)探傷——比如檢測飛機零件、輸油管道裂縫，以及地質(zhì)勘探尋找石油和礦藏等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它的核心使命就是將肉眼無法直接捕捉的高能射線攜帶的信息，準(zhǔn)確無誤地“翻譯”成易讀取的可見光圖像。

“翻譯官”遇上難題：快中子成像的模糊困擾

在眾多亟待“翻譯”的輻射類型中，快中子可謂是“硬核代表”。它沒有電荷，不易被電磁場干擾，卻擁有極其強大的穿透力，能夠輕松穿透厚重的金屬外殼，甚至高密度的大型設(shè)備。與X射線相比，快中子更能揭示輕元素（如氫、碳）的分布，因此在探測大型工業(yè)設(shè)備內(nèi)部的微小缺陷或復(fù)雜材料結(jié)構(gòu)時具備獨特優(yōu)勢。

在快中子成像系統(tǒng)中，閃爍屏同樣充當(dāng)“翻譯官”的角色。快中子穿過被檢測物體，攜帶著物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，撞擊到閃爍屏上。閃爍屏里的特殊物質(zhì)（通常是氫含量豐富的）受到中子撞擊后，會產(chǎn)生高速運動的質(zhì)子（反沖質(zhì)子），這些質(zhì)子再把能量沉積到閃爍屏中的發(fā)光中心，最終激發(fā)出可見光。這些可見光被相機捕捉，就形成了我們看到的圖像。

但是，問題來了！傳統(tǒng)的快中子閃爍屏，大多是由細(xì)小的熒光粉末顆粒混合在高分子中制成的，這就好比讓光信號在一個充滿無數(shù)細(xì)小障礙物的迷宮里穿行。光線在無數(shù)粉末顆粒的邊界上來回反射、散射，原本清晰的“信息光”被攪得支離破碎。這樣的散射損耗，嚴(yán)重束縛了快中子成像這雙“透視眼”的真正實力，導(dǎo)致成像時畫面分辨率大幅下降，細(xì)節(jié)被抹去，很難分辨設(shè)備內(nèi)部微小裂紋或?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)。

快中子成像系統(tǒng)裝置示意圖。快中子穿過被測樣品和屏蔽層，輻射到閃爍屏上激發(fā)其發(fā)光，然后通過CCD接收圖像信息。

（圖片來源：《自然 通訊》）

打造透明“玻璃翻譯官”，給快中子射線戴上“高清眼鏡”

如何解決這個“模糊”難題？如果能讓閃爍屏像玻璃一樣高透明，內(nèi)部不再充斥著散射顆粒，光線在里面暢行無阻，沒有來回碰壁，如此一來，成像自然就清晰了！傳統(tǒng)的粉末混合材料顯然不行，我們需要全新的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

來自中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所的研究團隊（孫承華研究員團隊等）聯(lián)合中國原子能研究院賀林峰團隊另辟蹊徑，將目光投向了一類有機-無機雜化金屬鹵化物體系。他們設(shè)計并合成了一種新型快中子閃爍屏——透明玻璃態(tài)錳基雜化金屬鹵化物。

高透明玻璃態(tài)閃爍屏

（圖片來源：中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究團隊）

這種新型快中子閃爍屏十分巧妙：

一是“一身兼二職”的單組分設(shè)計：它既是富含氫元素的“中子捕手”（有機部分），又是高效的“發(fā)光中心”（錳-溴無機單元）。傳統(tǒng)閃爍屏混合兩種材料，必然產(chǎn)生界面散射；而這種新材料是均質(zhì)的單相玻璃態(tài)，顯著降低了內(nèi)部散射，從而提升成像清晰度。

二是“凍結(jié)的無序”的玻璃態(tài)狀態(tài)：團隊利用“熔融淬冷”工藝，在材料里的分子整齊排列成晶體前就快速冷卻固化，將體系定格為均勻且無序的玻璃態(tài)。材料整體像玻璃一樣透明（可見光透過率超過70%），這意味著光信號可以幾乎不受阻礙地直接穿過，散射損耗顯著降低。與此同時，玻璃態(tài)制備工藝簡單可擴展，可制得大尺寸、可定制形狀的閃爍屏；材料本身韌性高、耐用性好，適合復(fù)雜工業(yè)環(huán)境。

三是“翻譯”效率高：這種高透玻璃的發(fā)光效率（PLQY）超過85%，這意味著它能將接收到的中子能量高效地轉(zhuǎn)化為可見光信號，為成像系統(tǒng)提供充足、清晰的光輸出。

形狀可控的透明閃爍屏，上行為日光照射，下行為紫外光照射

（圖片來源：《自然 通訊》）

效果如何？清晰度飆升！

這種新型透明玻璃閃爍屏在快中子成像應(yīng)用中的表現(xiàn)令人驚喜：

分辨率高是最大的突破！它的空間分辨率達(dá)到了5 lp/mm，意味著在1mm的寬度上，能清晰分辨出5對黑白相間的細(xì)線！這遠(yuǎn)高于目前報道的其他快中子閃爍屏，更是將傳統(tǒng)商用閃爍屏（分辨率約2 lp/mm）遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在身后！同時，它在快中子下發(fā)出的可見光信號強度，是相同厚度的傳統(tǒng)商用的3倍！亮度更高，圖像自然更清晰，也意味著成像曝光時間更短、所需中子劑量更低。

水熱反應(yīng)釜的快中子成像（左）和高能X射線工業(yè)CT成像（右）

（圖片來源：《自然 通訊》）

未來，讓“透視眼”看得更精、更廣

“光的翻譯官”的升級，突破了長期以來快中子成像“模糊”的瓶頸。憑借高透明度與高分辨率，它大幅提升了成像系統(tǒng)的“視力”，使我們得以更清晰、精準(zhǔn)地洞察大型高密度設(shè)備的內(nèi)部奧秘。

它在未來的應(yīng)用前景同樣廣闊：

在航空航天高端裝備制造與檢測領(lǐng)域中，可以無損檢測大型部件等關(guān)鍵設(shè)備內(nèi)部的微小缺陷或裝配狀態(tài)；在先進材料研究方面，在含能設(shè)備固體推進劑制造與質(zhì)檢環(huán)節(jié)，可無損捕捉殼體深處的氣泡、微裂紋與脫粘缺陷；在考古與文物保護方面，還能無損探查大型、厚重的文物內(nèi)部結(jié)構(gòu)或修復(fù)痕跡。

研究團隊表示，他們將繼續(xù)優(yōu)化透明閃爍屏的性能，例如嘗試做得更薄、更穩(wěn)定，探索其在特殊環(huán)境下的應(yīng)用，并進一步研究其發(fā)光機制，為設(shè)計下一代更強大的“光的翻譯官”提供科學(xué)基礎(chǔ)。未來，我們或許能借助這些不斷升級的“透視眼”，更清晰、更深入地洞察物質(zhì)世界的內(nèi)部奧秘，推動科技進步，服務(wù)國計民生。

出品：科普中國

作者：孫承華（中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員、中國感光學(xué)會理事）

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