中科院理化所在高分辨快中子成像方面取得新进展

　　图1.替代常规FNR策略的设计

　　闪烁材料是一种可以被特种射线如X射线、γ射线、中子等激发产生紫外或可见光的功能材料，因其出色的辐射探测能力可以用到石油资源勘探、医学影像、毒 品以及危险物品安全检查、工业探伤等领域中。中国科学院理化技术研究所特种影像材料与技术研究中心孙承华团队聚焦于钙钛矿等闪烁材料的合成、发光性能调控及其在X射线、γ射线、中子、质子成像领域的研究，并取得系列成果(J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 21302; Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2300607; ACS Nano, 2024, 18, 16715-16725; Rare Met. 2024, 43, 175–185)。其中，快中子射线具有更高的能量和极强的穿透能力，使其在检测大型和高密度设备的内部结构和低密度缺陷方面具有不可替代的作用，但快中子照相技术(FNR)的分辨率难以提升，是阻碍快中子成像技术推广应用的主要瓶颈。

　　近日，研究团队通过一步无溶剂熔融淬火方法开发了一种混合金属卤化物高透明玻璃态闪烁屏(BTPP)1.8(HTPP)0.2MnBr4，将快中子成像的空间分辨率由2.56 lp mm-1提高到5 lp mm-1的空间分辨率，为目前报道的世界最高数值。研制的闪烁屏的透过率超过70%(500-800 nm)，光致发光量子产率高达85.54%，光输出是同等厚度ZnS(Ag): PP商用闪烁屏的三倍。温度依赖的X射线衍射、光致发光和第一性原理分子动力学计算揭示了不透明多晶态和透明玻璃态之间的可逆转换机制，并明晰了玻璃态的形成机制归因于三苯基鏻的高空间位阻以及快速淬灭处理导致的分子随机排列冻结的共同作用。该制备策略易于制备大面积闪烁屏，且形状可控、韧性良好，为替代传统快中子闪烁屏提供了基础。这项工作显著提高了快中子成像的适用性，并将进一步推进快中子成像在大型设备无损检测技术领域的发展。

　　图2.混合金属卤化物透明闪烁屏的制备和表征

　　图3.玻璃态和多晶态闪烁屏的AIMD模拟和透明发光示意图

　　相关成果以Research Article的形式发表在Nature Communications期刊上，文章的第一作者为理化所博士生周子安，通讯作者为理化所孙承华研究员和郑金晓特别研究助理、中国原子能科学研究院贺林峰研究员。不来梅大学李勇博士、理化所康雷研究员和李云飞博士在第一性原理分子动力学计算方面、四川轻化工大学王琦标教授和杨洪超博士在快中子物理过程模拟计算方面做出了重要贡献。这项工作得到了国家自然科学基金、国家自然科学委员会联合基金、国家重点研发计划和内蒙古工业大学研究启动基金等项目的资助。