日本国立研究开发法人理化学研究所开拓研究本部的主任研究员斋藤武彦、国际项目助理Abdul Muneem（研究当时，现为理研光量子工学研究中心特别研究员）以及日本东北大学国际放射光创新智能研究中心的副教授吉田纯也等人组成的研究团队，联合京都大学、高能加速器研究机构、名古屋大学和巴基斯坦的University of Wah，成功开发出分辨率达到全球最高水平，精度突破1微米级的中子成像技术。该技术有望精确无损检测含有氢、锂、硼等元素的产品，解决X射线难以可视化的问题。相关研究成果已发表在国际学术期刊《Scientific Reports》1月24日刊上。
图1：本研究开发出来的中子成像技术示意图（供图：理化学研究所）
无损检测技术被认为是工业产品开发及质量控制的必要技术，通常采用X射线透视成像。但这种方法主要通过观察X射线被物质的电子吸收后形成的阴影，难以可视化由轻元素构成的物质结构。
近年来，作为X射线的补充手段，利用中子特性的透射中子成像技术备受关注。中子具有电荷为零且单独存在时以10分钟左右的半衰期发生衰败的特性，当中性子照射到物质时，相较于X射线，它能更容易地被特定原子核（如氢、锂、硼）散射或吸收。该技术利用中性子易被这些原子核吸收的特性，借助探测器捕捉吸收过程中释放的带电粒子（子核）径迹，从而实现成像。
2023年，前述研究团队利用J-PARC（位于茨城县东海村）物质与生命科学实验设施的中性子束，开发出了一种基于含硼薄膜与核乳胶胶片的探测设备，并评估了其分辨率，创造了当时全球中子探测器空间分辨率的最高纪录——0.945 ± 0.004微米。尽管该技术制成的器件体积小且成本低廉，但由于核乳胶板不可重复使用，且显影耗时1天左右，这成为实际应用的一大挑战。
图2 结合了碳化硼薄膜和荧光径迹探测器的中子成像器件（供图：理化学研究所）
左图：画面中央黑色区域为碳化硼薄膜，其表面附着于硅基板。上方的黄色方块是荧光径迹探测器。尺寸为：长4毫米，宽8毫米，厚0.5毫米。
右图：将碳化硼薄膜和荧光径迹探测器紧密贴合，使用层压薄膜并真空封装制成的中子成像器件。实验时，中子束从图像后方向前照射。实验后拆封包装，使用共聚焦显微镜读取荧光径迹探测器的成像数据。
为克服上述难题，研究团队此次全新开发了一种将碳化硼（B4C）薄膜和掺杂C与Mg的单晶氧化铝（Al₂O₃）荧光径迹探测器（FNTD）相结合的器件。该器件在照射中子束后可立即通过共聚焦显微镜读取探测器上留下的带电粒子径迹，而无需显影过程。
研究团队在J-PARC对该设备进行中性子束照射实验，评估其分辨率，结果显示其分辨率刷新了世界纪录，达到了0.887±0.009μm。
此外，研究团队已开发出利用UV激光擦除FNTD轨迹的系统，验证了该探测设备可多次重复使用。
未来，该团队将致力于提升径迹读取速度，加快成像效率，并扩大设备的成像面积，以推动技术实用化。据悉，该技术有望在无损检测半导体元件内部、锂离子金属电池内枝晶（dendrite）生长以及超导导线等领域中得到应用。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Scientific Reports
论文：Advancing Neutron Imaging Techniques to Highest Resolution with Fluorescent Nuclear Track Detectors
DOI：10.1038/s41598-024-84591-x
