你是否有過(guò)做 CT 檢查的經(jīng)歷？想象一下，當(dāng)你躺在 CT 檢查的儀器上，機(jī)器開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，射線穿透你的身體，最后電腦屏幕上呈現(xiàn)出清晰的身體內(nèi)部圖像。在這個(gè)過(guò)程中，有一個(gè)“幕后英雄”起著至關(guān)重要的作用。它能把看不見(jiàn)的射線，比如 X 光，“翻譯”成儀器可以捕捉的可見(jiàn)光信號(hào)，讓我們得以“看見(jiàn)”身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這個(gè)關(guān)鍵部件就是“光的翻譯官”——閃爍屏。

這位“翻譯官”本領(lǐng)十分強(qiáng)大，它不僅在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域，如 CT、PET 檢查中大顯身手，還在工業(yè)探傷、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在工業(yè)探傷中，它可以檢測(cè)飛機(jī)零件、輸油管道的裂縫；在地質(zhì)勘探中，能幫助尋找石油和礦藏。其核心使命就是將肉眼無(wú)法直接捕捉的高能射線攜帶的信息，準(zhǔn)確無(wú)誤地“翻譯”成容易讀取的可見(jiàn)光圖像。

然而，“翻譯官”也遇到了難題，尤其是在快中子成像方面?？熘凶邮且环N沒(méi)有電荷、不易被電磁場(chǎng)干擾的粒子，它具有極強(qiáng)的穿透力，能輕松穿透厚重的金屬外殼和高密度的大型設(shè)備。與 X 射線相比，快中子更能揭示輕元素，如氫、碳的分布，在探測(cè)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(shí)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

在快中子成像系統(tǒng)中，閃爍屏同樣充當(dāng)著“翻譯官”的角色?？熘凶哟┻^(guò)被檢測(cè)物體，帶著物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息撞擊到閃爍屏上。閃爍屏里含有氫含量豐富的特殊物質(zhì)，受到中子撞擊后會(huì)產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)子，也就是反沖質(zhì)子。這些質(zhì)子把能量沉積到閃爍屏中的發(fā)光中心，最終激發(fā)出可見(jiàn)光，這些可見(jiàn)光被相機(jī)捕捉后就形成了我們看到的圖像。

但傳統(tǒng)的快中子閃爍屏大多是由細(xì)小的熒光粉末顆?；旌显诟叻肿又兄瞥傻摹＿@就好比讓光信號(hào)在一個(gè)充滿無(wú)數(shù)細(xì)小障礙物的迷宮里穿行，光線在無(wú)數(shù)粉末顆粒的邊界上來(lái)回反射、散射，原本清晰的“信息光”變得支離破碎。這種散射損耗嚴(yán)重影響了快中子成像的效果，導(dǎo)致成像時(shí)畫(huà)面分辨率大幅下降，細(xì)節(jié)被抹去，很難分辨設(shè)備內(nèi)部的微小裂紋或?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)。

那么，如何解決這個(gè)“模糊”難題呢？如果能讓閃爍屏像玻璃一樣高透明，內(nèi)部沒(méi)有散射顆粒，光線可以暢行無(wú)阻，成像自然就清晰了。傳統(tǒng)的粉末混合材料顯然無(wú)法滿足這一需求，因此需要全新的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所的研究團(tuán)隊(duì)（孫承華研究員團(tuán)隊(duì)等）聯(lián)合中國(guó)原子能研究院賀林峰團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，他們將目光投向了一類(lèi)有機(jī) - 無(wú)機(jī)雜化金屬鹵化物體系，設(shè)計(jì)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。

這種新型快中子閃爍屏十分巧妙。首先是“一身兼二職”的單組分設(shè)計(jì)，它既是富含氫元素的“中子捕手”，也就是有機(jī)部分，又是高效的“發(fā)光中心”，即錳 - 溴無(wú)機(jī)單元。傳統(tǒng)閃爍屏混合兩種材料會(huì)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，從而提升了成像清晰度。

其次是“凍結(jié)的無(wú)序”的玻璃態(tài)狀態(tài)。團(tuán)隊(duì)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(wú)序的玻璃態(tài)。這種材料整體像玻璃一樣透明，可見(jiàn)光透過(guò)率超過(guò) 70%，這意味著光信號(hào)可以幾乎不受阻礙地直接穿過(guò)，散射損耗顯著降低。同時(shí)，玻璃態(tài)制備工藝簡(jiǎn)單可擴(kuò)展，能制得大尺寸、可定制形狀的閃爍屏，而且材料本身韌性高、耐用性好，適合復(fù)雜工業(yè)環(huán)境。

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

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。它的空間分辨率達(dá)到了 5lp/mm，意味著在 1mm 的寬度上，能清晰分辨出 5 對(duì)黑白相間的細(xì)線，遠(yuǎn)高于目前報(bào)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(shí)，它在快中子下發(fā)出的可見(jiàn)光信號(hào)強(qiáng)度是相同厚度的傳統(tǒng)商用閃爍屏的 3 倍，亮度更高，圖像更清晰，成像曝光時(shí)間更短，所需中子劑量更低。

“光的翻譯官”的升級(jí)突破了長(zhǎng)期以來(lái)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”，讓我們能更清晰、精準(zhǔn)地洞察大型高密度設(shè)備的內(nèi)部奧秘。

它在未來(lái)的應(yīng)用前景十分廣闊。在航空航天高端裝備制造與檢測(cè)領(lǐng)域，可無(wú)損檢測(cè)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(jìn)材料研究方面，在含能設(shè)備固體推進(jìn)劑制造與質(zhì)檢環(huán)節(jié)，能無(wú)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(hù)方面，還能無(wú)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(tuán)隊(duì)表示，他們將繼續(xù)優(yōu)化透明閃爍屏的性能，比如嘗試做得更薄、更穩(wěn)定，探索其在特殊環(huán)境下的應(yīng)用，并進(jìn)一步研究其發(fā)光機(jī)制，為設(shè)計(jì)下一代更強(qiáng)大的“光的翻譯官”提供科學(xué)基礎(chǔ)。未來(lái)，我們或許能借助這些不斷升級(jí)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(dòng)科技進(jìn)步，服務(wù)國(guó)計(jì)民生。

策劃制作

出品丨科普中國(guó)

作者丨孫承華 中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員、中國(guó)感光學(xué)會(huì)理事

監(jiān)制丨中國(guó)科普博覽

原標(biāo)題：《做 CT、工業(yè)探測(cè)都會(huì)用到“光的翻譯官”，現(xiàn)在再一次升級(jí)！》

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