周树云、孙承华等快中子探测及成像研究取得新进展

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近日，中科院理化所在快中子探测及成像研究方面取得新进展，有关研究结果发表在化学领域知名期刊Journal of the American Chemical Society。
       快中子射线对大多数物质都具有很强的穿透能力，故快中子成像技术是大尺寸部件射线无损检测领域内极具潜力的技术手段，在航空航天、核能、高端制造、新能源等国家重点科技发展领域将会发挥重要的作用。快中子探测成像的主要原理是高能的快中子穿过目标物体后，衰减后的中子束流轰击闪烁体材料中的氢核，通过弹性散射相互作用产生反冲质子，反冲质子在闪烁体上沉积能量并诱导产生电子-空穴对，激发闪烁体发出可见荧光，将中子场分布转换为可见光分布，通过后端光学系统收集并存储，从而实现快中子探测和成像。理想的快中子探测成像材料必须同时具有丰富的氢和良好的发光性能，传统快中子探测成像材料主要是通过将富氢组分和发光组分进行物理共混成型，存在诸如闪烁体在基体中分布不均匀等问题，因此，如果能够将富氢单元与发光单元在分子尺度上耦合协同，就有望实现高效中子成像。
　　钙钛矿材料在许多领域都表现出优异的光学特性，但由于常规无机钙钛矿不能直接吸收快中子并发射荧光，因此目前尚未有钙钛矿作为独立的闪烁体在快中子探测成像领域的报道。

　 　

　　　　图1. a）快中子钙钛矿闪烁体Mn-STA2PbBr4设计原理，b）快中子成像装置示意图，

　　c）Mn-STA2PbBr4的PLE和PL 光谱，d）Mn-STA2PbBr4在快中子辐照下的闪烁机制，

　　e）大面积 Mn-STA2PbBr4自支撑成像板及其荧光照片, f）标准空间分辨率测试样品，g）Mn-STA2PbBr4板快中子成像  

　　中科院理化所特影中心周树云研究员、孙承华项目研究员与中国工程物理研究院中子物理重点实验室、北京航空航天大学化学学院和中科院化学所的有关研究人员合作，设计并成功合成了一种集快中子吸收与荧光材料为一体的锰掺杂有机无机杂化钙钛矿闪烁体材料：Mn-(C18H37NH3)2PbBr4（简称Mn-STA2PbBr4)。这种“一箭双雕”策略克服了无机钙钛矿材料几乎不吸收快中子的缺点，将长链烷基胺富氢单元与钙钛矿发光单元合二为一，并通过Mn2+离子掺杂作为发光中心调控了荧光发射光谱，显著降低了STA2PbBr4的发光自吸收，提高了荧光量子产率，在国际上首次实现了基于单组分快中子钙钛矿闪烁体的制备。Mn-STA2PbBr4闪烁体材料可以制成大面积成像板，在绵阳快中子加速器用于快中子射线照相，其氢密度可以达到9.51 × 1028 m-3，可实现具有工程应用价值的空间分辨率（0.5 lp/mm）。这种探测效率与分辨率兼顾的策略为下一代快中子闪烁体材料和器件提供了新的设计思路，有望为反应堆、大型加速器、散裂源等大型科学平台上的快中子成像装置和小型快中子源便携式中子成像设备提供自主可控的探测材料和器件。
　　上述研究结果以“Hydrogen-rich 2D halide perovskite scintillators for fast neutron radiography”为题发表于Journal of the American Chemical Society。文章第一作者为中国科学院理化技术研究所博士生郑金晓，中科院化学所博士研究生曾艳为共同第一作者，通讯作者为中科院理化所孙承华项目研究员、中国工程物理研究院中子物理重点实验室吴洋副研究员及北京航空航天大学赵勇教授。该工作得到中国工程物理研究院中子物理重点实验室唐斌研究员在中子成像测试方面的大力支持，中国科学院化学研究所易院平研究员和曾艳博士在DFT计算方面的大力支持，北京航空航天大学张渊教授在发光机理方面也给予了有益的帮助。该研究得到国家自然科学基金（22175007，11675153，21975007）、四川省科技计划项目（2019ZDX0010）及国家有关工业技术发展计划的支持。
　　文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.1c08923




      文章来源：理化所
      周树云 男，1972年出生。1995年毕业于清华大学化学系，2000年在中科院理化所获得博士学位。2002年起担任中科院理化所创新研究组负责人，2003年入选北京市科技新星计划，2006年被聘为中国影像科学学会青年工作委员会副主任，2010年被聘为国内核心科技期刊《影像科学与光化学》的编委。现任现任中科院理化所研究员、博士生导师。