近日，中科院理化所在快中子探测及成像研究方面取得新进展，有关研究结果“Hydrogen-Rich 2D Halide Perovskite Scintillators for Fast Neutron Radiography”发表在《美国化学会志》杂志上（J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 50, 21302-21311, DOI: 10.1021/jacs.1c08923）。

快中子射线对大多数物质都具有很强的穿透能力，这使其成为检测大型设备内部空隙、裂纹或其他缺陷的理想无损技术。快中子探测成像的主要原理是高能的快中子穿过目标物体后，衰减后的中子束流轰击闪烁体材料中的氢核，通过弹性散射相互作用产生反冲质子，反冲质子在闪烁体上沉积能量并诱导产生电子-空穴对，激发闪烁体发出可见荧光，将中子场分布转换为可见光分布，通过后端光学系统收集并存储，从而实现快中子探测和成像。理想的快中子探测成像材料必须同时具有丰富的氢和良好的发光性能，传统快中子探测成像材料主要是通过将富氢组分和发光组分进行物理共混成型，存在诸如闪烁体在基体中分布不均匀等问题，因此，如果能够将富氢单元与发光单元在分子尺度上耦合协同，就有望实现高效中子成像。

钙钛矿材料在许多领域都表现出优异的光学特性，但由于常规无机钙钛矿不能直接吸收快中子并发射荧光，因此目前尚未有钙钛矿作为独立的闪烁体在快中子探测成像领域的报道。

中科院理化所的周树云、孙承华与北京航空航天大学赵勇和中科院化学所、中国工程物理研究院的有关研究人员合作，设计并成功合成了一种集快中子吸收与荧光材料为一体的锰掺杂有机无机杂化钙钛矿闪烁体材料：Mn-(C₁₈H₃₇NH₃)₂PbBr₄（简称Mn-STA₂PbBr₄）。这种“一箭双雕”策略克服了无机钙钛矿材料几乎不吸收快中子的缺点，将长链烷基胺富氢单元与钙钛矿发光单元合二为一，并通过Mn²⁺离子掺杂作为发光中心调控了荧光发射光谱，显著降低了STA₂PbBr₄的发光自吸收，提高了荧光量子产率，在国际上首次实现了基于单组分快中子钙钛矿闪烁体的制备。Mn-STA₂PbBr₄闪烁体材料可以制成大面积成像板，在快中子加速器用于快中子射线照相，其氢密度可以达到9.51 × 10²⁸ m^-3，可实现具有工程应用价值的空间分辨率（0.5 lp/mm）。

图1. a）快中子钙钛矿闪烁体Mn-STA₂PbBr₄设计原理；b）快中子成像装置示意图；

c）Mn-STA₂PbBr₄的PLE和PL光谱；d）Mn-STA₂PbBr₄在快中子辐照下的闪烁机制；

e）大面积Mn-STA₂PbBr₄自支撑成像板及其荧光照片；f）标准空间分辨率测试样品；g）Mn-STA₂PbBr₄板快中子成像

（来源：中科院理化技术研究所）