在材料科学领域，洞悉那些不可见的因素，即材料在现实条件下的内部行为，始终是开发新材料以及加速创新技术市场化的关键所在。与此同时，那些能够助力我们窥探材料这一不可见世界的工具，往往具备颠覆性的影响力。

其中，中子成像作为一种独特且强大的方法脱颖而出，它能够在不改变或破坏样品的前提下，研究材料的内部结构和行为。通过利用中子的独特性质，研究人员得以揭示材料的隐藏行为，为核材料和技术的发展提供至关重要的见解。

表征核材料：为何选择中子，为何选择成像，以及为何是现在?

中子在探测材料特性方面堪称非凡的工具，相较于其他技术具有独特优势。与主要和电子壳层相互作用的X射线不同，中子与原子核相互作用。这种根本性差异为成像对比度的产生构建了一个复杂而迷人的图景。具体而言，中子相互作用并不遵循X射线或质子所呈现的可预测趋势，因为它们高度依赖于同位素，并且对于任何给定的同位素，中子能量都会展现出显著差异。这通常使得中子能够轻松穿透密集的重质材料，同时对较轻的元素(如氢)表现出极高的敏感性。这种深穿透性、对轻元素的敏感性以及能量依赖性的相互作用组合，让中子在研究核系统中的材料时别具一格。

中子在探测极端条件下的材料方面尤为有效。无论是在高温下进行原位测量，还是分析需要重屏蔽的辐照样品，中子都能提供对我们理解核材料至关重要的独特见解，并为模拟和最终核反应堆许可所需的可靠数据提供支撑。像衍射这样的中子散射技术，对于研究核能关键材料价值不可估量，特别是在理解它们的晶体结构以及在极端条件下的行为方面。然而，这些技术侧重于整体特性，无法捕捉空间变化，例如样品内晶体学相的分布、材料缺陷或化学和同位素组成。虽然整体特性提供了坚实基础，但开发先进反应堆的材料，需要更深入地了解极端条件下性质的变化情况。随着建模和模拟工具日益复杂，对能够捕捉空间分辨材料响应的实验数据的需求与日俱增，以验证和增强预测能力。

幸运的是，过去十年左右成像技术的进步，使得中子成像能够满足对核材料进行更详细和全面表征的不断增长的需求。探测器灵敏度、空间分辨率和采集模式的改进拓展了中子成像的能力，使研究人员能够以前所未有的清晰度可视化材料的内部结构和动力学。

这些进步将中子成像从一种定性方法转变为一种精确的量化工具，允许对微观结构和同位素分布进行高分辨率映射，甚至在高温或辐照后环境等极端条件下的原位环境中也能实现。这种程度的理解不仅是一项科学事业，对于确保下一代反应堆的安全性、效率和寿命也至关重要，这些反应堆将在全球向更清洁、更可靠的能源过渡中发挥关键作用。随着下一代核反应堆设计越来越接近许可和部署，对确保其成功至关重要的材料的深入理解需求迅速增长。这些先进反应堆的设计旨在在比传统系统更极端的条件下运行，包括更高的温度、腐蚀性环境和更大的辐射暴露。解决这些挑战需要先进的表征工具，这些工具能够全面洞察材料在如此苛刻的条件下如何响应和演变。

洛斯阿拉莫斯用于核材料表征的先进中子成像

洛斯阿拉莫斯国家实验室以其在锕系元素研究和材料科学方面的专长而闻名，这通常涉及在极端环境中处理高度危险材料，但其将尖端中子科学与这种能力相结合的独特能力，在核能界的专业研究圈子之外却鲜为人知。

洛斯阿拉莫斯中子科学中心(LANSCE)是该实验室的所在地，拥有一个世界级质子加速器，配备两个中子散裂源用户设施：卢汉中心(调和中子)和武器中子研究(WNR)设施(未调和中子)。这些散裂源由短质子脉冲驱动，这是实现先进中子成像技术的关键特征。通过了解中子产生的确切时间，并使用能够记录中子检测时间的高级成像探测器，研究人员可以基于飞行时间技术执行能量分辨中子成像。正是这种方法使研究人员能够利用独特且依赖于能量的中子截面，以逐像素的方式提取详细的同位素或微观结构信息。

洛斯阿拉莫斯国家实验室在处理高危材料方面的独特专业知识和基础设施进一步增强了这种能力。在这些设施中，研究人员可以应用这些先进的中子成像技术研究锕系元素(如铀和钚)的材料特性，达到前所未有的详细程度。这些材料可以以各种形式进行研究，包括液体、固体，甚至辐照后，并且在各种极端条件下进行研究。这些能力共同使LANSCE成为核能领域变革性材料科学研究的一个独特中心，加速了创新，并扩展了我们对推进下一代反应堆设计至关重要的材料的理解。

在LANSCE，中子成像在多个飞行路径上进行，每个路径都根据特定的研究需求进行定制，并提供独特的成像模式。

1. 卢汉中心第11飞行路径(ASTERIX)：

专门从事冷中子成像，在探测给定材料内的轻元素和精细结构细节方面表现出色。ASTERIX支持先进的成像技术，如使用中子光栅干涉法的相位对比成像和暗场成像，以及基于传统衰减方法的氢分布图。相位对比成像增强了界面和细微密度变化的可见性，而暗场成像则提供了对纳米级结构变化(如裂纹、空隙和相分布)的洞察。氢分布图利用冷中子对氢的高灵敏度来量化氢在材料中的分布，这对于研究核材料中氢的迁移、脆化和其他与氢相关的现象至关重要。这些成像模式共同使ASTERIX成为一条多功能且强大的中子成像飞行路径，有助于在各种条件下深入了解材料的行为。

2. 卢汉中心第5飞行路径(ERNI)和第4飞行路径(HIPPO)：

提供了先进的热中子和超热中子成像能力。这些光束线支持中子共振成像(NRI)和布拉格边成像(BEI)等技术，在测量材料中的同位素和微观结构分布方面表现出色。

• 中子共振成像(NRI)：利用中子独特的能量依赖性吸收特性来生成同位素组成的二维图。通过采用计算机断层扫描(CT)方法，NRI能够生成样品内同位素密度的详细三维图，以亚毫米级的分辨率揭示样品的内部组成。这一能力对于研究复杂材料(如辐照核燃料)尤其有价值，因为了解铀、钚等同位素以及其他成分的分布对于评估性能和安全性以及验证模型至关重要。成像的非破坏性特点使得这一技术在分析辐照核燃料时特别有效，因为它甚至可以为封装在屏蔽容器中的样品提供详细的同位素图。这些三维图提供了关于燃料内部组成以及潜在裂变产物的关键见解，并可通过识别破坏性分析的感兴趣区域来指导辐照后检查。通过将处理高放射性材料的能力与精确且非破坏性的方法相结合，NRI成为一种强大的材料表征工具，并增强了对核燃料行为的整体理解，尤其是在作为辐照后检查的补充技术使用时。

• 布拉格边成像(BEI)：是HIPPO的一项杰出能力。HIPPO作为一台久负盛名的时间飞行中子衍射仪，现已升级具备中子成像功能，从而能够同时进行成像和衍射测量。这种整合是一项重大突破，因为它使研究人员能够将成像的空间分辨率与体衍射测量的灵敏度相结合。在这里，从晶体晶格平面衍射出的中子在成像和衍射中产生了互补信号：衍射检测到由于中子从光束中散射出去而导致的信号增强，而成像则记录了光束强度相应的减弱。研究人员可以利用诸如相分数和织构等体衍射测量，更好地约束和解释在BEI期间每个像素记录的透射光谱。这种协同作用直接提高了空间分辨微观结构的准确性和质量，使HIPPO成为提供高质量且全面的材料行为见解的强有力工具，适用于多种条件。

3. 弱中子源设施(WNR Facility)60 - R飞行路径：

该飞行路径专为使用MeV中子进行成像而优化，MeV中子在穿透密集材料(如数厘米厚的钢或铅)方面具有独特优势，同时能够识别氢、碳、氧和硅等较轻元素。这些能力使60 - R飞行路径特别适合用于核废料检查的技术开发，即使存在重屏蔽，也能非破坏性地表征内部内容。通过利用时间飞行技术确定中子能量，研究人员可以利用轻元素截面内独特的同位素特异性结构，绘制核废料包装内元素组成的空间分布图。

这种脉冲MeV中子成像模式，即快速中子共振射线照相术，最近已被证明可有效识别和绘制模拟废料容器和其他样品内的残留水、潜在有毒物质和其他轻元素化合物。虽然将乏燃料运输到LANSCE进行表征在经济上并不可行，但在60 - R飞行路径上完善的中子成像方法为未来使用紧凑型短脉冲中子源进行现场分析奠定了基础。这种前沿的非破坏性成像技术将通过提供对废料组件内部结构和组成的详细见解，使反应堆现场的废料评估更加安全高效，从而大大减少打开容器进行进一步检查的需求，这一过程既昂贵又难以在后勤上实现。