Нейтронная визуализация - Neutron imaging
.jpg)
Нейтронная визуализация - это процесс создания изображения с помощью нейтронов . Результирующее изображение основано на свойствах ослабления нейтронов отображаемого объекта. Полученные изображения имеют много общего с промышленными рентгеновскими изображениями, но поскольку изображение основано на свойствах ослабления нейтронов, а не на свойствах ослабления рентгеновских лучей, некоторые вещи, которые легко увидеть с помощью нейтронной визуализации, могут быть очень сложными или невозможными для просмотра при помощи рентгеновского излучения. методы лучевой визуализации (и наоборот).
Рентгеновские лучи ослабляются в зависимости от плотности материала. Более плотные материалы задерживают большее количество рентгеновских лучей. В случае нейтронов вероятность ослабления нейтронов материалом не связана с его плотностью. Некоторые легкие материалы, такие как бор, будут поглощать нейтроны, в то время как водород обычно рассеивает нейтроны, а многие обычно используемые металлы позволяют большинству нейтронов проходить через них. Это может сделать нейтронную визуализацию более подходящей во многих случаях, чем рентгеновскую визуализацию; например, глядя на положение и целостность уплотнительного кольца внутри металлических компонентов, таких как соединения сегментов твердотопливного ракетного ускорителя .
История
Нейтрон был обнаружен Джеймс Чедвик в 1932 году первая демонстрация нейтронной радиографии была сделана Хартмут Кальмана и Э. Куна в конце тридцатых годов; они обнаружили, что при бомбардировке нейтронами некоторые материалы испускали излучение, которое могло обнажить пленку . Открытие оставалось диковинкой до 1946 года, когда Петерс сделал рентгенограммы низкого качества. Первые нейтронные рентгенограммы приемлемого качества были сделаны Дж. Тьюлисом (Великобритания) в 1955 году.
Примерно в 1960 году Гарольд Бергер ( США ) и Джон П. Бартон (Великобритания) начали оценивать нейтроны для исследования облученного реакторного топлива. Впоследствии был разработан ряд исследовательских установок. Первые коммерческие предприятия были запущены в конце шестидесятых годов, в основном в США и Франции, а затем и во многих других странах, включая Канаду, Японию, Южную Африку , Германию и Швейцарию.
Процесс
Для создания нейтронного изображения требуются источник нейтронов, коллиматор для формирования излучаемых нейтронов в достаточно однонаправленный пучок, объект, который нужно отобразить, и некоторый метод записи изображения.
Источники нейтронов
Обычно источником нейтронов является исследовательский реактор , в котором доступно большое количество нейтронов на единицу площади (потока). Некоторые из них работает с изотопными источниками нейтронов были завершены ( в основном спонтанное деление из калифорния-252 , но и Am - Be источников изотопных и другие). Они предлагают сниженные капитальные затраты и повышенную мобильность, но за счет гораздо более низкой интенсивности нейтронов и значительно более низкого качества изображения. Кроме того, увеличилась доступность ускорительных источников нейтронов, включая большие ускорители с мишенями отщепления, которые могут быть подходящими источниками для построения нейтронных изображений. Генераторы нейтронов на основе портативных ускорителей, использующие реакции синтеза дейтерия-дейтерия или дейтерия- трития с образованием нейтронов .
На модерации
После образования нейтронов их необходимо замедлить (уменьшение кинетической энергии ) до скорости, необходимой для визуализации. Он может принимать форму воды, полиэтилена или графита при комнатной температуре для образования тепловых нейтронов . В замедлителе нейтроны будут сталкиваться с ядрами атомов и замедляться. В конце концов скорость этих нейтронов достигнет некоторого распределения в зависимости от температуры (количества кинетической энергии) замедлителя. Если требуются нейтроны с более высокой энергией, можно нагреть графитовый замедлитель для получения нейтронов с более высокой энергией (называемых надтепловыми нейтронами). Для нейтронов с более низкой энергией можно использовать холодный замедлитель, такой как жидкий дейтерий (изотоп водорода ), для получения нейтронов низкой энергии (холодный нейтрон). Если замедлитель отсутствует или присутствует меньше замедлителя , могут образовываться нейтроны высокой энергии (так называемые быстрые нейтроны ). Чем выше температура замедлителя, тем выше результирующая кинетическая энергия нейтронов и тем быстрее нейтроны будут двигаться. Как правило, более быстрые нейтроны будут более проникающими, но существуют некоторые интересные отклонения от этой тенденции, которые иногда могут быть использованы при построении нейтронных изображений. Обычно система визуализации проектируется и настраивается для получения только одной энергии нейтронов, при этом большинство систем визуализации вырабатывают тепловые или холодные нейтроны.
В некоторых ситуациях может потребоваться выбор только определенной энергии нейтронов. Чтобы выделить определенную энергию нейтронов, рассеяние нейтронов от кристалла или разделение нейтронного пучка для разделения нейтронов в зависимости от их скорости являются вариантами, но это обычно дает очень низкую интенсивность нейтронов и приводит к очень длительным воздействиям. Обычно это выполняется только для исследовательских приложений.
Это обсуждение фокусируется на тепловых нейтронных изображениях, хотя большая часть этой информации применима также к холодным и надтепловым изображениям. Получение изображений на быстрых нейтронах представляет собой область интереса для приложений национальной безопасности, но в настоящее время коммерчески недоступна и, как правило, здесь не описывается.
Коллимация
В замедлителе нейтроны будут двигаться в разных направлениях. Чтобы получить хорошее изображение, нейтроны должны двигаться в довольно однородном направлении (обычно слегка расходящемся). Для этого отверстие (отверстие, которое позволит нейтронам проходить через него, окруженное материалами, поглощающими нейтроны) ограничивает попадание нейтронов в коллиматор. Некоторая длина коллиматора с материалами, поглощающими нейтроны (например, бором ), затем поглощает нейтроны, которые не проходят длину коллиматора в желаемом направлении. Существует компромисс между качеством изображения и временем экспозиции. Более короткая коллимационная система или большая апертура будут производить более интенсивный нейтронный пучок, но нейтроны будут двигаться под более широким диапазоном углов, в то время как более длинный коллиматор или меньшая апертура обеспечат большую однородность в направлении движения нейтронов, но значительно будет присутствовать меньше нейтронов, и в результате увеличится время воздействия.
Объект
Объект помещен в нейтронный пучок. Учитывая повышенную геометрическую нерезкость по сравнению с рентгеновскими системами, объект обычно необходимо располагать как можно ближе к устройству записи изображения.
Преобразование
Хотя существует множество различных методов записи изображений, нейтроны, как правило, нелегко измерить, и их необходимо преобразовать в какую-либо другую форму излучения, которую легче обнаружить. Для выполнения этой задачи обычно используется какая-то форма экрана преобразования, хотя некоторые методы захвата изображений включают преобразование материалов непосредственно в устройство записи изображений. Часто это принимает форму тонкого слоя гадолиния, очень сильного поглотителя тепловых нейтронов. Слоя гадолиния толщиной 25 микрометров достаточно, чтобы поглотить 90% падающих на него тепловых нейтронов . В некоторых ситуациях могут использоваться другие элементы, такие как бор , индий , золото или диспрозий , или такие материалы, как сцинтилляционные экраны LiF, где преобразовательный экран поглощает нейтроны и излучает видимый свет.
Запись изображения
Для получения изображений с нейтронами обычно используются различные методы. До недавнего времени нейтронное изображение обычно регистрировалось на рентгеновской пленке, но теперь доступны различные цифровые методы.
Нейтронная радиография (фильм)
Нейтронная радиография - это процесс получения нейтронного изображения, которое записывается на пленку. Обычно это нейтронная визуализация с самым высоким разрешением, хотя цифровые методы с идеальными установками в последнее время дают сопоставимые результаты. Наиболее часто используемый подход использует экран преобразования гадолиния для преобразования нейтронов в электроны высокой энергии, которые экспонируют единственную рентгеновскую пленку эмульсии.
Прямой метод выполняется с пленкой, присутствующей в канале пучка, поэтому нейтроны поглощаются конверсионным экраном, который мгновенно испускает некоторую форму излучения, которое обнажает пленку. Непрямой метод не требует пленки непосредственно в канале пучка. Преобразовательный экран поглощает нейтроны, но существует некоторая временная задержка до выхода излучения. После записи изображения на экране преобразования экран преобразования приводят в тесный контакт с пленкой на период времени (обычно часы) для получения изображения на пленке. Непрямой метод имеет значительные преимущества при работе с радиоактивными объектами или системами визуализации с высоким гамма-загрязнением, в противном случае прямой метод обычно предпочтительнее.
Нейтронная радиография - это коммерчески доступная услуга, широко используемая в аэрокосмической промышленности для испытания лопаток турбин для авиационных двигателей, компонентов для космических программ, взрывчатых веществ высокой надежности и, в меньшей степени, в других отраслях промышленности для выявления проблем во время циклов разработки продукта.
Термин «нейтронная радиография» часто неправильно применяют для обозначения всех методов нейтронной визуализации.
Трек травления
Травление треков - это в значительной степени устаревший метод. Экран преобразования преобразует нейтроны в альфа-частицы, которые образуют следы повреждений на куске целлюлозы. Затем используют кислотную ванну для травления целлюлозы, чтобы получить кусок целлюлозы, толщина которого изменяется в зависимости от нейтронного воздействия.
Цифровая нейтронная визуализация
Существует несколько способов получения цифровых нейтронных изображений с тепловыми нейтронами, которые имеют различные преимущества и недостатки. Эти методы визуализации широко используются в академических кругах, отчасти потому, что они устраняют необходимость в пленочных процессорах и темных помещениях, а также предлагают множество преимуществ. Кроме того, изображения на пленке могут быть оцифрованы с помощью передающих сканеров.
Нейтронная камера (система DR)
Нейтронная камера - это система визуализации, основанная на цифровой камере или аналогичной матрице детекторов. Нейтроны проходят через объект, который нужно отобразить, затем сцинтилляционный экран преобразует нейтроны в видимый свет. Затем этот свет проходит через некоторую оптику (предназначенную для минимизации воздействия ионизирующего излучения на камеру), затем изображение захватывается камерой CCD (также существует несколько других типов камер, включая CMOS и CID, дающие аналогичные результаты).
Нейтронные камеры позволяют получать изображения в реальном времени (обычно с низким разрешением), что оказалось полезным для изучения двухфазного потока жидкости в непрозрачных трубах, образования пузырьков водорода в топливных элементах и движения смазки в двигателях. Эта система визуализации в сочетании с поворотным столом может получать большое количество изображений под разными углами, которые могут быть преобразованы в трехмерное изображение (нейтронная томография).
В сочетании с тонким сцинтилляционным экраном и хорошей оптикой эти системы могут создавать изображения с высоким разрешением с такими же временами экспозиции, что и пленочные изображения, хотя плоскость формирования изображения обычно должна быть небольшой, учитывая количество пикселей на доступных микросхемах камеры CCD.
Хотя эти системы предлагают некоторые существенные преимущества (возможность создания изображений в реальном времени, простота и относительно низкая стоимость для исследовательских приложений, потенциально достаточно высокое разрешение, быстрый просмотр изображений), существуют значительные недостатки, включая битые пиксели на камере (которые возникают в результате радиационного облучения). ), гамма-чувствительность сцинтилляционных экранов (создание артефактов изображения, для устранения которых обычно требуется медианная фильтрация), ограниченное поле обзора и ограниченный срок службы камер в условиях высокой радиации.
Пластины для изображений (система CR)
Рентгеновские пластины изображения могут использоваться вместе со сканером пластин для получения нейтронных изображений так же, как рентгеновские изображения создаются с помощью системы. Нейтрон все еще необходимо преобразовать в какую-либо другую форму излучения, которая будет захвачена пластиной изображения. В течение короткого периода времени Fuji производила нейтронно-чувствительные пластины изображения, которые содержали материал преобразователя в пластине и предлагали лучшее разрешение, чем это возможно с внешним материалом преобразования. Электронные пластины предлагают процесс, который очень похож на формирование изображения на пленке, но изображение записывается на пластину многократного использования, которая считывается и очищается после получения изображения. Эти системы создают только неподвижные изображения (статические). При использовании конвертирующего экрана и рентгеновской пластины требуется сопоставимое время экспозиции для получения изображения с более низким разрешением, чем при съемке на пленке. Пластины изображения со встроенным конверсионным материалом дают изображения более высокого качества, чем внешнее преобразование, но в настоящее время не дают таких хороших изображений, как пленка.
Плоские кремниевые детекторы (система DR)
Цифровой метод, аналогичный отображению на ПЗС-матрице. Облучение нейтронами приводит к короткому сроку службы детекторов, что привело к тому, что другие цифровые методы стали предпочтительными подходами.
Микроканальные пластины (система DR)
Новый метод, позволяющий создавать массив цифровых детекторов с очень маленькими размерами пикселей. Устройство имеет небольшие (микрометрические) каналы, проходящие через него, причем сторона источника покрыта материалом, поглощающим нейтроны (обычно гадолинием или бором ). Материал, поглощающий нейтроны, поглощает нейтроны и преобразует их в ионизирующее излучение, которое освобождает электроны. К устройству прикладывается большое напряжение, в результате чего освобожденные электроны усиливаются, поскольку они ускоряются через небольшие каналы, а затем обнаруживаются матрицей цифровых детекторов.
использованная литература
- Практическое применение нейтронной радиографии и измерений; Бергер, Гарольд, ASTM