Obrazowanie neutronowe - Neutron imaging

Obraz wyprodukowany przez ośrodek 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 obrazami rentgenowskimi , ale ponieważ obraz opiera się na właściwościach tłumienia neutronów zamiast właściwości tłumienia promieniowania rentgenowskiego, niektóre rzeczy łatwo widoczne w obrazowaniu neutronów mogą być bardzo trudne lub niemożliwe do zobaczenia za pomocą X- techniki obrazowania promieniami (i odwrotnie).

Promieniowanie rentgenowskie jest tłumione na podstawie gęstości materiału. Gęstsze materiały zatrzymają więcej promieni rentgenowskich. W przypadku neutronów prawdopodobieństwo tłumienia neutronów w materiale nie jest związane z jego gęstością. Niektóre lekkie materiały, takie jak bor , pochłaniają neutrony, podczas gdy wodór na ogół rozprasza neutrony, a wiele powszechnie stosowanych metali pozwala większości neutronów przez nie przechodzić. Może to sprawić, że obrazowanie neutronowe będzie w wielu przypadkach lepiej dostosowane niż obrazowanie rentgenowskie; na przykład, patrząc na pozycję i integralność O-ringów wewnątrz metalowych elementów, takich jak połączenia segmentów Solid Rocket Booster .

Historia

Neutronów została odkryta przez James Chadwick w 1932. Pierwsza demonstracja radiografii neutronowej została wykonana przez Hartmut Kallmann i E. Kuhna w późnych latach trzydziestych; odkryli, że podczas bombardowania neutronami niektóre materiały emitują promieniowanie, które może naświetlić film . Odkrycie było ciekawostką aż do 1946 roku, kiedy Peters wykonał niskiej jakości radiogramy. Pierwsze radiogramy neutronowe o rozsądnej jakości wykonał J. Thewlis (Wielka Brytania) w 1955 roku.

Około 1960 r. Harold Berger ( USA ) i John P. Barton (Wielka Brytania) rozpoczęli ocenę neutronów do badania napromieniowanego paliwa reaktora. Następnie opracowano szereg obiektów badawczych. Pierwsze obiekty handlowe pojawiły się w Internecie pod koniec lat sześćdziesiątych, głównie w Stanach Zjednoczonych i Francji, a ostatecznie w wielu 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 rejestracji obrazu.

Źródła neutronów

Generalnie źródłem neutronów jest reaktor badawczy , w którym dostępna jest duża liczba neutronów na jednostkę powierzchni (strumień). Niektóre prace z izotopowych źródeł neutronów została zakończona (w dużej mierze spontaniczne rozszczepienie z kaliforn-252 , ale również Am - Bądź źródła izotopowe, i inne). Oferują one niższe koszty inwestycyjne i zwiększoną mobilność, ale kosztem znacznie niższych intensywności neutronów i znacznie niższej jakości obrazu. Ponadto wzrosła dostępność akceleratorowych źródeł neutronów, w tym dużych akceleratorów z celami spallacyjnymi , które mogą być odpowiednimi źródłami do obrazowania neutronów. Przenośne generatory neutronów oparte na akceleratorach, wykorzystujące neutron do reakcji fuzji deuter-deuter lub deuter- tryt .

Umiar

Po wytworzeniu neutronów należy je spowolnić (spadek energii kinetycznej ) do prędkości wymaganej do obrazowania. Może to przybrać postać pewnej długości wody, polietylenu lub grafitu w temperaturze pokojowej, aby wytworzyć neutrony termiczne . W moderatorze neutrony zderzają się z jądrami atomów i zwalniają. Ostatecznie prędkość tych neutronów osiągnie pewien rozkład w oparciu o temperaturę (ilość energii kinetycznej) moderatora. Jeśli pożądane są neutrony o wyższej energii, moderator grafitowy może zostać podgrzany w celu wytworzenia neutronów o wyższej energii (nazywanych neutronami epitermicznymi). W przypadku neutronów o niższej energii do wytwarzania neutronów o niskiej energii (zimny neutron) można zastosować zimny moderator, taki jak ciekły deuter (izotop wodoru ). Jeśli nie ma moderatora lub jest on obecny w mniejszej ilości , można wytwarzać neutrony o wysokiej energii (nazywane neutronami prędkimi ). 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 penetrujące, ale istnieją pewne interesujące odchylenia od tego trendu, które czasami można wykorzystać w obrazowaniu neutronów. Ogólnie rzecz biorąc, 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 pożądany wybór tylko określonej energii neutronów. Aby wyizolować określoną energię neutronów, rozpraszanie neutronów z kryształu lub odcinanie wiązki neutronów w celu oddzielenia neutronów w oparciu o ich prędkość to opcje, ale generalnie powoduje to bardzo niskie natężenia neutronów i prowadzi do bardzo długich ekspozycji. Generalnie odbywa się to tylko w przypadku zastosowań badawczych.

Ta dyskusja koncentruje się na obrazowaniu neutronów termicznych, chociaż wiele z tych informacji dotyczy również obrazowania na zimno i epitermii. Obrazowanie neutronami prędkimi jest obszarem zainteresowania dla zastosowań związanych z bezpieczeństwem wewnętrznym, ale nie jest obecnie dostępne na rynku i generalnie nie jest tutaj opisane.

Kolimacja

W moderatorze neutrony będą podróżować w wielu różnych kierunkach. Aby uzyskać dobry obraz, neutrony muszą poruszać się w dość jednolitym kierunku (na ogół lekko rozbieżnym). Aby to osiągnąć, apertura (otwór, który umożliwi przechodzenie neutronów w otoczeniu materiałów pochłaniających neutrony) ogranicza neutrony wchodzące do kolimatora. Pewna długość kolimatora z materiałami pochłaniającymi neutrony (np. bor ) następnie pochłania neutrony, które nie przemieszczają się wzdłuż długości kolimatora w pożądanym kierunku. Istnieje kompromis między jakością obrazu a czasem ekspozycji. Krótszy system kolimacyjny lub większa apertura wygeneruje intensywniejszą wiązkę neutronów, ale neutrony będą przemieszczać się pod większymi kątami, podczas gdy dłuższy kolimator lub mniejsza apertura zapewni większą jednorodność w kierunku ruchu neutronów, ale znacznie będzie obecnych mniej neutronów i wydłuży się czas ekspozycji.

Obiekt

Obiekt jest umieszczony w wiązce neutronów. Biorąc pod uwagę zwiększoną nieostrość geometryczną w porównaniu z tymi znalezionymi w systemach rentgenowskich, obiekt na ogół musi być umieszczony jak najbliżej urządzenia rejestrującego obraz.

Konwersja

Chociaż istnieje wiele różnych metod rejestrowania obrazów, neutrony nie są na ogół łatwe do zmierzenia i muszą zostać przekształcone w inną formę promieniowania, która jest łatwiejsza do wykrycia. Zazwyczaj do wykonania tego zadania wykorzystywana jest pewna forma ekranu konwersji, chociaż niektóre metody przechwytywania obrazu wykorzystują materiały do ​​konwersji bezpośrednio do rejestratora obrazu. Często przybiera to postać cienkiej warstwy Gadolinium, bardzo silnego pochłaniacza neutronów termicznych. 25 mikrometrowa warstwa gadolinu wystarcza do zaabsorbowania 90% padających na nią neutronów termicznych . W niektórych sytuacjach można zastosować inne pierwiastki, takie jak bor , ind , złoto lub dysproz, lub materiały, takie jak ekrany scyntylacyjne LiF, w których ekran konwersyjny pochłania neutrony i emituje światło widzialne.

Nagrywanie obrazu

Do tworzenia obrazów z neutronami powszechnie stosuje się różne metody. Do niedawna obrazowanie neutronowe było na ogół rejestrowane na kliszy rentgenowskiej, ale obecnie dostępnych jest wiele metod cyfrowych.

Radiografia neutronowa (film)

Radiografia neutronowa to proces wytwarzania obrazu neutronowego, który jest rejestrowany na kliszy. Jest to na ogół forma obrazowania neutronowego o najwyższej rozdzielczości, chociaż metody cyfrowe z idealnymi ustawieniami osiągają ostatnio porównywalne wyniki. Najczęściej stosowane podejście wykorzystuje ekran konwersji gadolinu do przekształcania neutronów w elektrony o wysokiej energii, które naświetlają pojedynczą błonę rentgenowską emulsji.

Metoda bezpośrednia jest wykonywana z błoną obecną w linii wiązki, dzięki czemu neutrony są pochłaniane przez ekran konwersyjny, który natychmiast emituje pewną formę promieniowania, które naświetla błonę. Metoda pośrednia nie ma filmu bezpośrednio na 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 filmem przez pewien czas (zazwyczaj godziny), aby wytworzyć obraz na filmie. Metoda pośrednia ma znaczące zalety w przypadku obiektów radioaktywnych lub systemów obrazowania o wysokim skażeniu gamma, w przeciwnym razie na ogół preferowana jest metoda bezpośrednia.

Radiografia neutronowa jest usługą dostępną na rynku, szeroko stosowaną w przemyśle lotniczym do testowania łopatek turbin silników lotniczych, komponentów 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.

Śledź wytrawiać

Wytrawianie śladów jest w dużej mierze przestarzałą metodą. Ekran konwersji przekształca neutrony w cząstki alfa, które tworzą ślady uszkodzeń w kawałku celulozy. Kwaśna kąpiel jest następnie wykorzystywana do wytrawiania celulozy w celu wytworzenia kawałka celulozy, którego grubość zmienia się w zależności od ekspozycji na neutrony.

Cyfrowe obrazowanie neutronów

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 unikają konieczności stosowania procesorów klisz i ciemni, a także oferują szereg korzyści. Dodatkowo obrazy filmowe można zdigitalizować za pomocą skanerów transmisyjnych.

Kamera neutronowa (System DR)

Kamera neutronowa to system obrazowania oparty na kamerze cyfrowej lub podobnym układzie detektorów. Neutrony przechodzą przez obrazowany obiekt, a ekran scyntylacyjny zamienia je na światło widzialne. Światło to przechodzi następnie przez optykę (mającą na celu zminimalizowanie ekspozycji kamery na promieniowanie jonizujące), a następnie obraz jest rejestrowany przez kamerę CCD (istnieje również kilka innych typów kamer, w tym CMOS i CID, dające podobne wyniki).

Kamery neutronowe umożliwiają obrazy w czasie rzeczywistym (zwykle w niskiej rozdzielczości), co okazało się przydatne do badania dwufazowego przepływu płynu w nieprzezroczystych rurach, tworzenia się pęcherzyków wodoru w ogniwach paliwowych oraz 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 wytwarzać obrazy o wysokiej rozdzielczości z podobnymi czasami naświetlania do obrazowania na kliszy, chociaż płaszczyzna obrazowania zazwyczaj musi być mała, biorąc pod uwagę liczbę pikseli na dostępnych chipach kamer CCD.

Chociaż systemy te oferują pewne istotne zalety (możliwość wykonywania obrazowania w czasie rzeczywistym, prostota i stosunkowo niski koszt zastosowań badawczych, potencjalnie rozsądnie wysoka rozdzielczość, szybkie przeglądanie obrazów), istnieją znaczące wady, w tym martwe piksele w aparacie (które wynikają z narażenia na promieniowanie ), czułość gamma ekranów scyntylacyjnych (tworzące artefakty obrazowania, których usunięcie zwykle wymaga filtrowania mediany), ograniczone pole widzenia i ograniczony czas życia kamer w środowiskach o wysokim natężeniu promieniowania.

Pamięciowe płyty obrazowe (system CR)

Rentgenowskie płyty obrazowe mogą być używane w połączeniu ze skanerem płytek do tworzenia obrazów neutronowych, podobnie jak obrazy rentgenowskie są wytwarzane za pomocą tego systemu. Neutron musi jeszcze zostać przekształcony w inną formę promieniowania, aby został przechwycony przez płytkę obrazową. Przez krótki czas firma Fuji produkowała płyty obrazowe czułe na neutrony, które zawierały materiał konwertujący w płycie i oferowały lepszą rozdzielczość niż jest to możliwe przy użyciu zewnętrznego materiału konwertującego. Pamięciowe płyty obrazowe oferują proces bardzo podobny do obrazowania kliszowego, ale obraz jest zapisywany na pamięciowej płycie obrazowej wielokrotnego użytku, która jest odczytywana i usuwana po naświetleniu. Systemy te wytwarzają tylko obrazy nieruchome (statyczne). Przy użyciu ekranu konwersyjnego i rentgenowskiej płyty obrazowej wymagane są porównywalne czasy naświetlania, aby uzyskać obraz o niższej rozdzielczości niż obrazowanie na kliszy. Płyty obrazowe z osadzonym materiałem konwersyjnym dają lepsze obrazy niż konwersja zewnętrzna, ale obecnie nie dają tak dobrych obrazów jak film.

Płaskie czujki krzemowe (system DR)

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

Płytki mikrokanałowe (system DR)

Nowa metoda, która wytwarza matrycę detektorów cyfrowych o bardzo małych rozmiarach pikseli. Urządzenie posiada małe (mikrometrowe) kanaliki, ze stroną źródłową pokrytą materiałem pochłaniającym neutrony (zwykle gadolin lub bor ). Materiał pochłaniający neutrony pochłania neutrony i przekształca je w promieniowanie jonizujące, które uwalnia elektrony. Do urządzenia przykładane jest duże napięcie, powodując wzmocnienie uwolnionych elektronów, które są przyspieszane przez małe kanały, a następnie wykrywane przez układ detektorów cyfrowych.

Bibliografia

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