2025-10-08 09:30:22
【导语】去医院做 CT 检查时，将射线“翻译”成可见光信号的关键部件——闪烁屏至关重要。但在快中子成像中，传统闪烁屏因颗粒散射致成像模糊。为此，中科院等团队研发出新型透明玻璃态锰基杂化金属卤化物闪烁屏，分辨率远超传统，信号强度是传统商用 3 倍。未来，它有望在多领域大显身手，助力我们洞察物质世界奥秘。
你做过 CT 检查吗？想象一下你去医院做 CT 检查，机器转动，射线穿透你的身体，最终在电脑上形成清晰的内部图像。
而这个过程中，有一个默默无闻却至关重要的“幕后英雄”——它能把看不见的射线（如 X 光）“翻译”成仪器可以捕捉的可见光信号，从而让我们“看见”其内部结构。这个关键部件就是“光的翻译官”——闪烁屏。
高透明玻璃态闪烁屏（图片来源：《自然 通讯》）
这位“翻译官”本领很大，不仅在医学影像（如 CT、PET）中大显身手(shǒu)，也(yě)在(zài)工(gōng)业(yè)探(tàn)伤(shāng)——比(bǐ)如(rú)检(jiǎn)测(cè)飞(fēi)机(jī)零(líng)件(jiàn)、输(shū)油(yóu)管(guǎn)道(dào)裂(liè)缝(fèng)，以(yǐ)及(jí)地(de)质(zhì)勘(kān)探(tàn)寻(xún)找(zhǎo)石(shí)油(yóu)和(hé)矿(kuàng)藏(cáng)等(děng)领(lǐng)域发(fā)挥(huī)着(zhe)关键作(zuò)用(yòng)。它(tā)的(de)核(hé)心(xīn)使(shǐ)命(mìng)就(jiù)是(shì)将(jiāng)肉(ròu)眼(yǎn)无(wú)法(fǎ)直(zhí)接(jiē)捕(bǔ)捉(zhuō)的(de)高(gāo)能(néng)射(shè)线(xiàn)携(xié)带(dài)的(de)信(xìn)息(xi)，准(zhǔn)确(què)无误地“翻译”成易读取的可见光图像。
“翻译官”遇上难题：
快中子成像的模糊困扰
在众多亟待“翻译”的辐射类型中，快中子可谓是“硬核代表”。它没有电荷，不易被电磁场干扰，却拥有极其强大的穿透力，能够轻松穿透厚重的金属外壳，甚至高密度的大型设备。与 X 射线相比，快中子更能揭(jiē)示(shì)轻(qīng)元(yuán)素(sù)（如(rú)氢(qīng)、碳(tàn)）的(de)分(fēn)布(bù)，因(yīn)此(cǐ)在(zài)探(tàn)测(cè)大型工业设备内部的微小缺陷或复杂材料结构时具备独特优势。
在快中子成像系统中，闪烁屏同样充当“翻译官”的角色。快中子穿过被检测物体，携带着物体内部结构信息，撞击到闪烁屏上。闪烁屏里的特殊物质（通常是氢含量丰富的）受到中子撞击后，会产生高速运动的质子（反冲质子），这些质子再把能量沉积到闪烁屏中的发光中心，最终激发出可见光。这些可见光被相机捕捉，就形成了我们看到的图像。
但是，问题来了！传统的快中子闪烁屏，大多是由细小的荧光粉末颗粒混合在高分子中制成的，这就好比让光信号在一个充满无数细小障碍物的迷宫里穿行。光线在无数粉末颗粒的边界上来回反射、散射，原本清晰的“信息光”被搅得支离破碎。这样的散射损耗，严重束缚了快中子成像这双“透视眼”的真正实力，导致成像时画面分辨率大幅下降，细节被抹去，很难分辨设备内部微小裂纹或层次结构。
快中子成像系统装置示意图。快中子穿过被测样品和屏蔽层，辐射到闪烁屏上激发其发光，然后通过CCD接收图像信息。（图片来源：《自然 通讯》）
打(dǎ)造(zào)透(tòu)明(míng)“玻(bō)璃(lí)翻(fān)译(yì)官(guān)”，
给(gěi)快(kuài)中(zhōng)子(zi)射(shè)线(xiàn)戴(dài)上(shàng)“高(gāo)清(qīng)眼(yǎn)镜(jìng)”
如(rú)何(hé)解(jiě)决(jué)这(zhè)个(gè)“模(mó)糊(hu)”难(nán)题(tí)？如(rú)果(guǒ)能(néng)让(ràng)闪(shǎn)烁(shuò)屏像玻璃一样高透明，内部不再充斥着散射颗粒，光线在里面畅行无阻(zǔ)，没(méi)有(yǒu)来(lái)回碰壁，如此一来，成像自然就清晰了！传统的粉末混合材料显然不行，我们需要全新的材料和(hé)结(jié)构(gòu)设(shè)计(jì)。
来(lái)自(zì)中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)院(yuàn)理(lǐ)化(huà)技(jì)术(shù)研(yán)究(jiū)所(suǒ)的(de)研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)（孙承华研究员团队等）联合中国原子能研究院贺林峰团队另辟蹊径，将目光投向了一类有机-无机杂化金属卤化物体系。他们设计并合成了一种新型快中子闪烁屏——透明玻璃态锰基杂化金属卤化物。
高透明玻璃态闪烁屏（图片来源：中国科学院理化技术研究所研究团队）
这种新型快中子闪烁屏十分巧妙：
一是“一身兼二职”的单组分设计：它既是富含氢元素的“中子捕手”（有机部分），又是高效的“发光中心”（锰-溴无机单元）。传统闪烁屏混合两种材料，必然产生界面散射；而这种新材料是均质的单相玻璃态，显著降低了内部散射，从而提升成像清晰度。
二是“冻结的无序”的玻璃态状态：团队利用“熔融淬冷”工艺，在材料里的分子整齐排列成晶体前就快速冷却固化，将体系定格为均匀且无序的玻璃态。材料整体像玻璃一样透明（可见光透过率超过 70%），这意味着光信号可以几乎不受阻碍地直接穿过，散射损耗显著降低。与此同时，玻(bō)璃(lí)态制备工艺简单可扩展，可制得大尺寸、可定制形状的闪烁屏；材料本身韧性高、耐用性好，适合复杂(zá)工(gōng)业(yè)环(huán)境(jìng)。
三(sān)是(shì)“翻(fān)译(yì)”效(xiào)率(lǜ)高(gāo)：这(zhè)种(zhǒng)高(gāo)透(tòu)玻(bō)璃(lí)的(de)发(fā)光(guāng)效(xiào)率(lǜ)（PLQY）超(chāo)过(guò) 85%，这(zhè)意(yì)味(wèi)着(zhe)它(tā)能(néng)将(jiāng)接(jiē)收(shōu)到(dào)的(de)中(zhōng)子(zi)能(néng)量(liàng)高效地转化为可见光信号，为成像系统提供充足、清晰的光输出。
形(xíng)状(zhuàng)可(kě)控(kòng)的(de)透(tòu)明(míng)闪(shǎn)烁(shuò)屏(píng)，上(shàng)行(xíng)为(wèi)日(rì)光(guāng)照(zhào)射(shè)，下(xià)行(xíng)为(wèi)紫(zǐ)外(wài)光(guāng)照(zhào)射(shè)（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：《自(zì)然(rán) 通(tōng)讯(xùn)》）
效(xiào)果(guǒ)如(rú)何(hé)？清(qīng)晰(xī)度(dù)飙(biāo)升！
这种新型透明玻璃闪烁屏在快中子成像应用中的表现令人惊喜：
分辨率高是最大的突破！它的空间分辨率达到了 5lp/mm，意味着在 1mm 的宽度上，能清晰分辨出 5 对黑白相间的细线！这远高于目前报道的其他快中子闪烁屏，更是将传统商用闪烁屏（分辨率约 2 lp/mm）远远甩在身后！同时，它在快中子下发出的可见光信号强度，是相同厚度的传统商用的 3 倍！亮度更高，图像自然更清晰，也意味着成像曝光时间更短、所需中子剂量更低。
水热反应釜的快中子成像（左）和高能X射线工业CT成像（右）（图片来源：《自然 通讯》）
未来，让“透视眼”看得更精、更广
“光的翻译官”的升级，突破了长期以来快中子成像“模糊”的瓶颈。凭借高透明度与高分辨率，它大幅提升了成像系统的“视力”，使我们得以更清晰、精准地洞察大型高密度设备的内部奥秘。
它在未来的应用前景同样广阔：
在航空航天高端装备制造与检测领域中，可以无损检测大型部件等关键设备内部的微小缺陷或装配状态；在先进材料研究方面，在含能设备固体推进剂制造与质检环节，可无损捕捉壳体深处的气泡、微裂纹与脱粘缺陷；在考古与文物保护方面，还能无损探查大型、厚重的文物内部结构或修复痕迹。
研究团队表示，他们将继续优化透明闪烁屏的性能，例如尝试做得更薄、更稳定，探索其在特殊环境下的应用，并进一步研究其发光机制，为设计下一代更强大的“光的翻译官”提供科学基础。未来，我们或许能借助这些不断升级的“透视眼”，更清晰、更深入地洞察物质世界的内部奥秘，推动科技进步，服务国计民生。
策划制作
出品丨
作者丨孙承华 中国科学院理化技术研究所研究员、中国感光学会理事
监制丨中国科普博览
责编丨张一诺
审校丨徐来、张林林
来源丨微信公众号
本文封面图片及文内图片来自版权图库
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