Obrazowanie neutronowe

Zdjęcie wykonane przez zakład radiografii neutronowej Oak Ridge National Laboratory.

Obrazowanie neutronowe to proces tworzenia obrazu za pomocą neutronów . Wynikowy obraz jest oparty na właściwościach tłumienia neutronów obrazowanego obiektu. Uzyskane obrazy mają wiele wspólnego z przemysłowymi rentgenowskimi , ale ponieważ obraz opiera się na właściwościach tłumienia neutronów zamiast właściwości tłumienia promieniowania rentgenowskiego, niektóre rzeczy łatwo widoczne za pomocą obrazowania neutronowego mogą być bardzo trudne lub niemożliwe do zobaczenia za pomocą X- techniki obrazowania promieniami (i vice versa).

Promienie rentgenowskie są tłumione w zależności od gęstości materiału. Gęstsze materiały zatrzymają więcej promieni rentgenowskich. W przypadku neutronów prawdopodobieństwo tłumienia neutronów przez materiał nie jest związane z jego gęstością. Niektóre lekkie materiały, takie jak bor , pochłaniają neutrony, podczas gdy wodór generalnie rozprasza neutrony, a wiele powszechnie stosowanych metali przepuszcza przez nie większość neutronów. Może to sprawić, że obrazowanie neutronowe będzie w wielu przypadkach lepsze niż obrazowanie rentgenowskie; na przykład patrząc na O-ringów wewnątrz metalowych elementów, takich jak połączenia segmentów Solid Rocket Booster .

Historia

Neutron został odkryty przez Jamesa Chadwicka w 1932 roku. Pierwszej demonstracji radiografii neutronowej dokonali Hartmut Kallmann i E. Kuhn pod koniec lat trzydziestych XX wieku . Odkryli, że po bombardowaniu neutronami niektóre materiały emitują promieniowanie , które może odsłonić film . Odkrycie pozostawało ciekawostką aż do 1946 roku, kiedy Peters wykonał zdjęcia rentgenowskie niskiej jakości. Pierwsze radiogramy neutronowe o rozsądnej jakości wykonał J. Thewlis (Wielka Brytania) w 1955 roku.

Około 1960 roku Harold Berger ( USA ) i John P. Barton (Wielka Brytania) rozpoczęli ocenę neutronów w celu zbadania napromienionego paliwa reaktora. Następnie opracowano szereg obiektów badawczych. Pierwsze obiekty komercyjne pojawiły się w Internecie pod koniec lat 60., głównie w Stanach Zjednoczonych i Francji, a ostatecznie w innych krajach, w tym w Kanadzie, Japonii, RPA , Niemczech i Szwajcarii.

Proces

Aby wytworzyć obraz neutronowy, wymagane jest źródło neutronów, kolimator do kształtowania emitowanych neutronów w dość jednokierunkową wiązkę, obiekt do zobrazowania oraz pewna metoda rejestrowania obrazu.

Źródła neutronów

Generalnie źródłem neutronów jest reaktor badawczy , w którym dostępna jest duża liczba neutronów na jednostkę powierzchni (strumień). Część prac nad izotopowymi źródłami neutronów została zakończona (w dużej mierze spontaniczne rozszczepienie kalifornu -252 , ale także Am - Be źródła izotopowe i inne). Oferują one niższe koszty inwestycyjne i zwiększoną mobilność, ale kosztem znacznie niższych intensywności neutronów i znacznie niższej jakości obrazu. Ponadto zwiększyła się dostępność akceleratorów neutronów, w tym dużych akceleratorów z spallacyjnymi , które mogą być odpowiednimi źródłami do obrazowania neutronów. Przenośne generatory neutronów oparte na akceleratorach, wykorzystujące neutrony dające reakcje fuzji deuter -deuter lub deuter- tryt .

Umiar

Po wytworzeniu neutronów należy je spowolnić (zmniejszyć energię kinetyczną ) do prędkości potrzebnej do zobrazowania. Może to przybrać postać pewnej długości wody, polietylenu lub grafitu w temperaturze pokojowej w celu wytworzenia neutronów termicznych . W moderatorze neutrony zderzają się z jądrami atomów i spowalniają. Ostatecznie prędkość tych neutronów osiągnie pewien rozkład w oparciu o temperaturę (ilość energii kinetycznej) moderatora. Jeśli pożądane są neutrony o wyższej energii, moderator grafitowy można ogrzać w celu wytworzenia neutronów o wyższej energii (zwanych neutronami epitermalnymi). W przypadku neutronów o niższej energii zimny moderator, taki jak ciekły deuter (izotop wodoru ), może być użyty do wytworzenia neutronów o niskiej energii (neutron zimny). Jeśli nie ma moderatora lub jest go mniej, neutrony o wysokiej energii (nazywane neutronami szybkimi ) można wyprodukować. Im wyższa temperatura moderatora, tym wyższa jest wynikowa energia kinetyczna neutronów i tym szybciej neutrony będą się przemieszczać. Ogólnie rzecz biorąc, szybsze neutrony będą bardziej przenikliwe, ale istnieją pewne interesujące odchylenia od tego trendu, które czasami można wykorzystać w obrazowaniu neutronowym. Ogólnie system obrazowania jest zaprojektowany i skonfigurowany do wytwarzania tylko jednej energii neutronów, przy czym większość systemów obrazowania wytwarza neutrony termiczne lub zimne.

W niektórych sytuacjach może być pożądane wybranie tylko określonej energii neutronów. Aby wyizolować określoną energię neutronów, rozpraszanie neutronów z kryształu lub cięcie wiązki neutronów w celu oddzielenia neutronów na podstawie ich prędkości to opcje, ale generalnie daje to bardzo niskie intensywności neutronów i prowadzi do bardzo długich ekspozycji. Zasadniczo jest to przeprowadzane tylko w przypadku zastosowań badawczych.

Ta dyskusja koncentruje się na termicznym obrazowaniu neutronowym, chociaż wiele z tych informacji dotyczy również obrazowania zimnego i epitermicznego. Obrazowanie neutronów szybkich jest obszarem zainteresowania zastosowań związanych z bezpieczeństwem wewnętrznym, ale obecnie nie jest dostępne na rynku i generalnie nie jest tutaj opisane.

Kolimacja

W moderatorze neutrony będą przemieszczać się w wielu różnych kierunkach. Aby uzyskać dobry obraz, neutrony muszą przemieszczać się w dość jednolitym kierunku (na ogół nieco rozbieżnym). Aby to osiągnąć, apertura (otwór, który pozwoli neutronom przechodzić przez nią, otoczona materiałami pochłaniającymi neutrony), ogranicza neutrony dostające się do kolimatora. Kolimator o pewnej długości z materiałami pochłaniającymi neutrony (np. bor ) pochłania następnie neutrony, które nie przemieszczają się wzdłuż kolimatora w pożądanym kierunku. Istnieje kompromis między jakością obrazu a czasem ekspozycji. Krótszy system kolimacyjny lub większa apertura wytworzy bardziej intensywną wiązkę neutronów, ale neutrony będą przemieszczać się pod szerszym zakresem kątów, podczas gdy dłuższy kolimator lub mniejsza apertura zapewni większą jednorodność kierunku przemieszczania się neutronów, ale znacznie mniej neutronów będzie obecnych, co spowoduje dłuższy czas ekspozycji.

Obiekt

Obiekt umieszcza się w wiązce neutronów. Biorąc pod uwagę zwiększoną nieostrość geometryczną w porównaniu z systemami rentgenowskimi, obiekt zazwyczaj musi być umieszczony jak najbliżej urządzenia rejestrującego obraz.

Konwersja

Chociaż istnieje wiele różnych metod rejestracji obrazu, neutrony generalnie nie są łatwe do zmierzenia i muszą zostać przekształcone w inną łatwiejszą do wykrycia formę promieniowania. Do wykonania tego zadania zwykle stosuje się pewien rodzaj ekranu konwersji, chociaż niektóre metody przechwytywania obrazu włączają materiały do ​​konwersji bezpośrednio do rejestratora obrazu. Często ma to postać cienkiej warstwy gadolinu, bardzo silnego pochłaniacza neutronów termicznych. Warstwa gadolinu o grubości 25 mikrometrów wystarcza do pochłonięcia 90% padających na nią neutronów termicznych . W niektórych sytuacjach inne pierwiastki, takie jak bor można użyć indu , złota lub dysprozu lub materiałów, takich jak ekrany scyntylacyjne LiF , w przypadku których ekran konwersyjny pochłania neutrony i emituje światło widzialne.

Nagrywanie obrazu

Do tworzenia obrazów za pomocą neutronów powszechnie stosuje się różne metody. Do niedawna obrazowanie neutronowe było zazwyczaj rejestrowane na kliszy rentgenowskiej, ale obecnie dostępnych jest wiele metod cyfrowych.

Radiografia neutronowa (klisza)

Radiografia neutronowa to proces tworzenia obrazu neutronowego, który jest zapisywany na kliszy. Jest to generalnie forma obrazowania neutronowego o najwyższej rozdzielczości, chociaż metody cyfrowe z idealnymi konfiguracjami osiągają ostatnio porównywalne wyniki. Najczęściej stosowane podejście wykorzystuje gadolinowy ekran konwersyjny do przekształcania neutronów w elektrony o wysokiej energii, które naświetlają pojedynczą emulsyjną kliszę rentgenowską.

Metoda bezpośrednia jest wykonywana z filmem obecnym w linii wiązki, więc neutrony są pochłaniane przez ekran konwersyjny, który natychmiast emituje jakąś formę promieniowania, które naświetla film. Metoda pośrednia nie ma filmu bezpośrednio w linii wiązki. Ekran konwersji pochłania neutrony, ale przed uwolnieniem promieniowania występuje pewne opóźnienie czasowe. Po zarejestrowaniu obrazu na ekranie konwersji, ekran konwersji jest umieszczany w bliskim kontakcie z kliszą na pewien okres czasu (zwykle godziny), aby wytworzyć obraz na kliszy. Metoda pośrednia ma znaczące zalety w przypadku obiektów radioaktywnych lub systemów obrazowania o wysokim zanieczyszczeniu promieniowaniem gamma, w przeciwnym razie metoda bezpośrednia jest ogólnie preferowana.

Radiografia neutronowa jest usługą dostępną na rynku, szeroko stosowaną w przemyśle lotniczym do testowania łopatek turbin do silników samolotów, komponentów do programów kosmicznych, materiałów wybuchowych o wysokiej niezawodności oraz, w mniejszym stopniu, w innych gałęziach przemysłu do identyfikowania problemów podczas cykli rozwoju produktu.

Termin „radiografia neutronowa” jest często błędnie stosowany w odniesieniu do wszystkich metod obrazowania neutronowego.

Wytrawianie ścieżek

Wytrawianie toru jest w dużej mierze przestarzałą metodą. Ekran konwersji przekształca neutrony w cząstki alfa, które tworzą ślady uszkodzeń w kawałku celulozy. Kąpiel kwasowa jest następnie używana do wytrawiania celulozy w celu wytworzenia kawałka celulozy, którego grubość zmienia się wraz z ekspozycją na neutrony.

Cyfrowe obrazowanie neutronowe

Istnieje kilka procesów wykonywania cyfrowych obrazów neutronowych za pomocą neutronów termicznych, które mają różne zalety i wady. Te metody obrazowania są szeroko stosowane w kręgach akademickich, po części dlatego, że pozwalają uniknąć konieczności stosowania procesorów filmowych i ciemni, a także oferują szereg zalet. Dodatkowo obrazy filmowe można zdigitalizować za pomocą skanerów transmisyjnych.

Kamera neutronowa (system DR)

Kamera neutronowa to system obrazowania oparty na aparacie cyfrowym lub podobnym układzie detektorów. Neutrony przechodzą przez obiekt, który ma być zobrazowany, a następnie ekran scyntylacyjny przekształca neutrony w światło widzialne. Światło to przechodzi następnie przez układ optyczny (mający na celu zminimalizowanie narażenia aparatu na promieniowanie jonizujące), a następnie obraz jest rejestrowany przez kamerę CCD (istnieje również kilka innych typów kamer, w tym CMOS i CID, które dają podobne wyniki).

Kamery neutronowe umożliwiają obrazy w czasie rzeczywistym (zazwyczaj w niskiej rozdzielczości), co okazało się przydatne do badania przepływu płynu dwufazowego w nieprzezroczystych rurach, tworzenia się pęcherzyków wodoru w ogniwach paliwowych i ruchu smaru w silnikach. Ten system obrazowania w połączeniu ze stołem obrotowym może wykonać dużą liczbę obrazów pod różnymi kątami, które można zrekonstruować w obraz trójwymiarowy (tomografia neutronowa).

W połączeniu z cienkim ekranem scyntylacyjnym i dobrą optyką systemy te mogą generować obrazy o wysokiej rozdzielczości przy czasach naświetlania podobnych do obrazowania kliszy, chociaż płaszczyzna obrazowania zazwyczaj musi być mała, biorąc pod uwagę liczbę pikseli dostępnych układów CCD kamery.

Chociaż systemy te oferują pewne znaczące zalety (możliwość wykonywania obrazowania w czasie rzeczywistym, prostota i stosunkowo niski koszt zastosowań badawczych, potencjalnie dość wysoka rozdzielczość, szybkie przeglądanie obrazu), istnieją poważne wady, w tym martwe piksele w aparacie (które wynikają z narażenia na promieniowanie ), czułość gamma ekranów scyntylacyjnych (tworzenie artefaktów obrazowania, których usunięcie zwykle wymaga filtrowania medianowego), ograniczone pole widzenia i ograniczona żywotność kamer w środowiskach o wysokim promieniowaniu.

Płyty pamięciowe (system CR)

rentgenowskich można używać w połączeniu ze skanerem płyt do tworzenia obrazów neutronowych, podobnie jak w przypadku promieniowania rentgenowskiego obrazy są tworzone za pomocą systemu. Neutron nadal musi zostać przekształcony w inną formę promieniowania, aby został przechwycony przez płytę obrazową. Przez krótki czas firma Fuji produkowała płytki obrazowe czułe na neutrony, które zawierały materiał konwertujący w płycie i oferowały lepszą rozdzielczość niż jest to możliwe w przypadku zewnętrznego materiału konwertującego. Płyty obrazowe oferują proces bardzo podobny do obrazowania filmu, ale obraz jest zapisywany na pamięciowej płycie obrazowej wielokrotnego użytku, która jest odczytywana i czyszczona po obrazowaniu. Systemy te wytwarzają tylko nieruchome obrazy (statyczne). Korzystanie z ekranu konwersji i prześwietlenia płyt obrazowych, do uzyskania obrazu o rozdzielczości niższej niż obrazowanie na kliszy wymagane są porównywalne czasy naświetlania. Płyty pamięciowe z osadzonym materiałem konwertującym dają lepsze obrazy niż konwersja zewnętrzna, ale obecnie nie dają tak dobrych obrazów jak klisza.

Płaskie detektory krzemowe (system DR)

Technika cyfrowa podobna do obrazowania CCD. Ekspozycja na neutrony prowadzi do krótkiej żywotności detektorów, co spowodowało, że inne techniki cyfrowe stały się preferowanymi podejściami.

Płytki mikrokanałowe (system DR)

Powstająca metoda, która wytwarza cyfrową matrycę detektorów o bardzo małych rozmiarach pikseli. Urządzenie ma małe (mikrometrowe) kanały, a strona źródłowa jest pokryta materiałem pochłaniającym neutrony (zwykle gadolinem lub borem ). Materiał pochłaniający neutrony pochłania neutrony i przekształca je w promieniowanie jonizujące, które uwalnia elektrony. Do urządzenia przykładane jest duże napięcie, co powoduje wzmocnienie uwolnionych elektronów, gdy są one przyspieszane przez małe kanały, a następnie wykrywane przez cyfrową matrycę detektorów.

• Praktyczne zastosowania radiografii i pomiarów neutronowych; Berger, Harold, ASTM