Нейтронная визуализация
 | В этой статье есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти шаблонные сообщения )
|
Нейтронная визуализация — это процесс создания изображения с помощью нейтронов . Полученное изображение основано на свойствах затухания нейтронов изображаемого 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 трудными или невозможными увидеть с помощью рентгеновских лучей. методы лучевой визуализации (и наоборот).
Рентгеновские лучи ослабляются в зависимости от плотности материала. Более плотные материалы будут останавливать больше рентгеновских лучей. Что касается нейтронов, вероятность затухания нейтронов материалом не связана с его плотностью. Некоторые легкие материалы, такие как бор, поглощают нейтроны, в то время как водород обычно рассеивает нейтроны, а многие широко используемые металлы пропускают через себя большинство нейтронов. Это может сделать нейтронную визуализацию во многих случаях более подходящей, чем рентгеновскую визуализацию; например, глядя на положение и целостность уплотнительного кольца внутри металлических компонентов, таких как соединения сегментов твердотопливного ракетного ускорителя .
История
[ редактировать ]Нейтрон в 1932 году . был открыт Джеймсом Чедвиком Первую демонстрацию нейтронной радиографии провели Хартмут Каллманн и Э. Кун в конце 1930-х годов. Они обнаружили, что при бомбардировке нейтронами некоторые материалы испускают радиацию , которая может обнажить пленку . Это открытие оставалось диковинкой до 1946 года, когда Петерс сделал рентгенограммы низкого качества. Первые нейтронные рентгенограммы приемлемого качества были сделаны Дж. Тьюлисом (Великобритания) в 1955 г.
Примерно в 1960 году Гарольд Бергер (США) и Джон П. Бартон (Великобритания) начали оценивать нейтроны для исследования облученного реакторного топлива. Впоследствии был создан ряд исследовательских установок. Первые коммерческие объекты были запущены в эксплуатацию в конце 1960-х годов, в основном в США и Франции, а затем и в других странах, включая Канаду, Японию, Южную Африку , Германию и Швейцарию.
Процесс
[ редактировать ]Для создания нейтронного изображения необходимы источник нейтронов, коллиматор, формирующий испускаемые нейтроны в достаточно однонаправленный луч, объект, подлежащий отображению, и некоторый метод записи изображения.
Источники нейтронов
[ редактировать ]Обычно источником нейтронов является исследовательский реактор . [1] [2] большое количество нейтронов где имеется некоторые работы с изотопными на единицу площади (потока). Завершены источниками нейтронов (в основном спонтанное деление Калифорния -252 , [3] но также источники изотопов Am - Be и другие). Они обеспечивают снижение капитальных затрат и повышение мобильности, но за счет гораздо более низкой интенсивности нейтронов и значительно более низкого качества изображения. Кроме того, возросла доступность ускорительных источников нейтронов, в том числе крупных ускорителей с расщепления. мишенями [4] и они могут быть подходящими источниками для нейтронной визуализации. Генераторы нейтронов на базе портативных ускорителей, использующие нейтронные синтеза реакции дейтерия -дейтерия или дейтерия- трития . [5]
Модерация
[ редактировать ]После образования нейтронов их необходимо замедлить (уменьшить кинетическую энергию ) до скорости, необходимой для получения изображений. Он может принимать форму некоторого отрезка воды, полиэтилена или графита при комнатной температуре для производства 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 желательны нейтроны более высокой энергии, графитовый замедлитель можно нагреть для получения нейтронов более высокой энергии (так называемых эпитепловых нейтронов). холодный замедлитель, такой как жидкий дейтерий Для нейтронов более низкой энергии можно использовать , для производства нейтронов низкой энергии (холодных нейтронов). Если замедлителя нет или его меньше, могут быть произведены нейтроны высокой энергии (называемые быстрыми нейтронами ). Чем выше температура замедлителя, тем выше результирующая кинетическая энергия нейтронов и тем быстрее будут двигаться нейтроны. Как правило, более быстрые нейтроны обладают большей проникающей способностью, но существуют некоторые интересные отклонения от этой тенденции, которые иногда можно использовать при нейтронной визуализации. Обычно система визуализации проектируется и настраивается так, чтобы производить нейтроны только одной энергии, при этом большинство систем визуализации производят тепловые или холодные нейтроны.
В некоторых ситуациях может оказаться желательным выбор только определенной энергии нейтронов. Чтобы выделить определенную энергию нейтронов, можно использовать рассеяние нейтронов на кристалле или прерывание нейтронного пучка для разделения нейтронов в зависимости от их скорости, но это обычно приводит к очень низкой интенсивности нейтронов и приводит к очень длительному воздействию. Обычно это выполняется только для исследовательских целей.
В этом обсуждении основное внимание уделяется визуализации тепловыми нейтронами, хотя большая часть этой информации применима также к холодным и эпитепловым изображениям. Визуализация на быстрых нейтронах представляет интерес для приложений национальной безопасности, но в настоящее время она коммерчески недоступна и, как правило, здесь не описывается.
Коллимация
[ редактировать ]В замедлителе нейтроны будут двигаться в разных направлениях. Чтобы получить хорошее изображение, нейтроны должны двигаться в достаточно однородном направлении (обычно слегка расходящемся). Для этого используется апертура (отверстие, которое позволяет нейтронам проходить через него, окруженное поглощающими нейтроны материалами), ограничивающее количество нейтронов, попадающих в коллиматор. Коллиматор некоторой длины с материалами, поглощающими нейтроны (например, бором), затем поглощает нейтроны, которые не проходят по длине коллиматора в желаемом направлении. Существует компромисс между качеством изображения и временем экспозиции. Более короткая коллимационная система или большая апертура создадут более интенсивный нейтронный пучок, но нейтроны будут двигаться под более широким углом, в то время как более длинный коллиматор или меньшая апертура обеспечат большую однородность в направлении движения нейтронов, но значительно будет присутствовать меньше нейтронов, что приведет к увеличению времени воздействия.
Объект
[ редактировать ]Объект помещается в нейтронный пучок. Учитывая повышенную геометрическую нерезкость по сравнению с рентгеновскими системами, объект обычно необходимо располагать как можно ближе к устройству записи изображения.
Обнаружение
[ редактировать ]Для обнаружения и регистрации нейтронных изображений обычно используются различные методы. До недавнего времени нейтронные изображения обычно записывались на рентгеновскую пленку, но теперь доступны различные цифровые методы.
Нейтронное преобразование
[ редактировать ]Хотя существует множество различных методов записи изображений, нейтроны, как правило, нелегко измерить, и их необходимо преобразовать в какую-то другую форму излучения, которую легче обнаружить. Для выполнения этой задачи обычно используется та или иная форма экрана преобразования, хотя некоторые методы захвата изображения включают материалы преобразования 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 . другие элементы, такие как бор, индий , золото или диспрозий В некоторых ситуациях могут использоваться , или такие материалы, как сцинтилляционные экраны LiF , в которых конверсионный экран поглощает нейтроны и излучает видимый свет.
Твердотельные детекторы
[ редактировать ]Фильм
[ редактировать ]Пленка, как правило, представляет собой форму нейтронной визуализации с самым высоким разрешением, хотя цифровые методы с идеальными установками в последнее время достигают сопоставимых результатов. Наиболее часто используемый подход использует конверсионный экран из гадолиния для преобразования нейтронов в электроны высокой энергии, которые экспонируют одну эмульсионную рентгеновскую пленку.
Прямой метод выполняется с наличием пленки в луче, поэтому нейтроны поглощаются конверсионным экраном, который сразу же испускает ту или иную форму излучения, обнажающего пленку. Косвенный метод не предполагает наличия пленки непосредственно в луче. Конверсионный экран поглощает нейтроны, но перед выбросом излучения существует некоторая задержка. После записи изображения на конверсионный экран конверсионный экран приводится в тесный контакт с пленкой на определенный период времени (обычно часы) для создания изображения на пленке. Косвенный метод имеет значительные преимущества при работе с радиоактивными объектами или системами визуализации с высоким уровнем гамма-загрязнения, в противном случае обычно предпочтительнее прямой метод.
Нейтронная радиография — коммерчески доступная услуга, широко используемая в аэрокосмической отрасли для испытаний лопаток турбин авиационных двигателей, компонентов космических программ, взрывчатых веществ высокой надежности и, в меньшей степени, в других отраслях для выявления проблем в ходе циклов разработки продукции.
Травление трека
[ редактировать ]Нейтроны можно преобразовать в ионы , которые проходят через ядерный трековый детектор, изготовленный из пластика, такого как целлюлоза или CR-39 . Ионы оставляют следы химического повреждения, называемые ионными следами . Затем для травления пластика используется кислотная ванна, расширяющая дорожки до отверстий, видимых под микроскопом. [6] [7] Также возможно использовать ядерные трековые детекторы для обнаружения нейтронов без конверсионного экрана, поскольку нейтроны могут рассеивать ядра в самом пластике. [8]
Цифровые детекторы
[ редактировать ]Существует несколько процессов получения цифровых нейтронных изображений с помощью тепловых нейтронов, которые имеют разные преимущества и недостатки. Эти методы визуализации широко используются в академических кругах, отчасти потому, что они позволяют избежать необходимости использования пленочных процессоров и темных комнат, а также предлагают множество преимуществ. Кроме того, изображения с пленки можно оцифровать с помощью передающих сканеров.
Нейтронная камера
[ редактировать ]Нейтронная камера — это система визуализации, основанная на цифровой камере или аналогичной детекторной матрице. Нейтроны проходят через объект, который необходимо отобразить, затем сцинтилляционный экран преобразует нейтроны в видимый свет. Затем этот свет проходит через некоторую оптику (предназначенную для минимизации воздействия на камеру ионизирующего излучения), затем изображение захватывается камерой CCD (также существует несколько других типов камер, включая CMOS и CID, дающих аналогичные результаты).
Нейтронные камеры позволяют получать изображения в реальном времени (как правило, с низким разрешением), что оказалось полезным для изучения двухфазного потока жидкости в непрозрачных трубах, образования пузырей водорода в топливных элементах и движения смазочных материалов в двигателях. Эта система визуализации в сочетании с поворотным столом может делать большое количество изображений под разными углами, которые можно реконструировать в трехмерное изображение (нейтронная томография).
В сочетании с тонким сцинтилляционным экраном и хорошей оптикой эти системы могут создавать изображения с высоким разрешением и временем экспозиции, аналогичным пленочному, хотя плоскость изображения обычно должна быть небольшой, учитывая количество пикселей на доступных чипах ПЗС-камеры.
Хотя эти системы предлагают некоторые существенные преимущества (способность выполнять визуализацию в реальном времени, простота и относительно низкая стоимость для исследовательских приложений, потенциально достаточно высокое разрешение, быстрый просмотр изображений), существуют существенные недостатки, включая битые пиксели на камере (которые возникают в результате радиационного воздействия). ), гамма-чувствительность сцинтилляционных экранов (создание артефактов изображения, для устранения которых обычно требуется медианная фильтрация), ограниченное поле зрения и ограниченный срок службы камер в условиях высокой радиации.
Пластины для визуализации
[ редактировать ]Фотостимулируемые люминофорные пластины, используемые для обнаружения рентгеновских лучей, можно использовать в сочетании с лазерным сканером для получения нейтронных изображений, так же, как рентгеновские изображения создаются с помощью системы. Нейтроны все еще необходимо преобразовать в какую-то другую форму излучения, чтобы захватить съемочную пластину. В течение короткого периода времени компания Fuji производила нейтронно-чувствительные пластины для формирования изображений, которые содержали в пластине преобразовательный материал и обеспечивали лучшее разрешение, чем это возможно при использовании внешнего преобразующего материала.
Пластины для визуализации представляют собой процесс, очень похожий на визуализацию на пленке, но изображение записывается на пластину для визуализации многоразового использования, которая считывается и очищается после получения изображения. Эти системы производят только неподвижные изображения. При использовании конверсионного экрана и рентгеновской пластины для получения изображения с более низким разрешением, чем при съемке на пленке, требуется сопоставимое время экспозиции. Пластины формирования изображения со встроенным преобразовательным материалом дают более качественные изображения, чем пластины с внешним преобразованием, но в настоящее время не создают изображения того же качества, что и пленка.
Плоские кремниевые детекторы
[ редактировать ]Кремниевые детекторы с плоской панелью представляют собой цифровой метод, аналогичный ПЗС-матрице. Воздействие нейтронов приводит к короткому сроку службы детекторов, в результате чего предпочтительными подходами становятся другие цифровые методы.
Микроканальные пластины
[ редактировать ]Микроканальные пластины — это новый тип цифровых детекторов с очень маленькими размерами пикселей. Устройство имеет небольшие (микрометровые) каналы, сторона источника покрыта материалом, поглощающим нейтроны (обычно гадолиний или бор). Материал, поглощающий нейтроны, поглощает нейтроны и преобразует их в ионизирующее излучение, которое освобождает электроны. К устройству прикладывается большое напряжение, вызывающее усиление освободившихся электронов, поскольку они ускоряются через небольшие каналы, а затем обнаруживаются цифровой матрицей детекторов.
Приложения
[ редактировать ]Сканирование авиагрузов
[ редактировать ]Система сканирования грузовых контейнеров с использованием радиографии на быстрых нейтронах и гамма-излучении была разработана CSIRO и опробована в международном аэропорту Брисбена в 2005–2006 годах.Он использовал генераторы нейтронов и источник гамма-излучения для создания коллимированных лучей, при этом грузовые контейнеры проходили по цепному конвейеру через туннель, а также сцинтилляционные детекторы нейтронов и детекторы гамма-излучения, установленные в колоннах на противоположной стороне туннеля.Контейнерам потребуется около 2 минут, чтобы пройти через устройство. [9]
В отличие от рентгеновского сканирования, которое может обнаруживать металлические предметы, например огнестрельное оружие, но имеет проблемы с другими веществами,Радиография быстрых нейтронов и гамма-лучей чувствительна к широкому спектру материалов.Кроме того, измеряя отношения ослабления нейтронов к ослаблению гамма-излучения, можно анализировать элементный состав сканируемых веществ. [9]
Модернизированная версия сканера, получившая название AC6015XN Air Cargo Scanner и разработанная совместно компаниями Nuctech и CSIRO, была разработана и опробована в Пекине в 2009 году.AC6015XN имел меньшую площадь, другое экранирование, стереоскопические двойные рентгеновские лучи (создаваемые линейным ускорителем ) вместо гамма-лучей, а также детекторы рентгеновского излучения как сбоку, так и вверху туннеля.Доза нейтронного излучения составляла примерно 8 микрозивертов (800 мкмэр) и была значительно ниже пределов, установленных для облучения пищевых продуктов в таких странах, как Соединенное Королевство и Соединенные Штаты Америки. [9]
Ссылки
[ редактировать ]
- ^ «ISNR | Средства нейтронной визуализации по всему миру» . ИСНР | Международное общество нейтронной радиографии и МАГАТЭ . Проверено 8 февраля 2020 г.
- ^ Кальсада, Эльбио; Шиллингер, Буркхард; Грюнауэр, Флориан (2005). «Строительство и монтаж установки нейтронной радиографии и томографии АНТАРЕС на ФРМ II». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 542 (1–3): 38–44. Бибкод : 2005NIMPA.542...38C . дои : 10.1016/j.nima.2005.01.009 .
- ^ Джойс, Малкольм Дж.; Агар, Стюарт; Аспиналл, Майкл Д.; Бомонт, Джонатан С.; Колли, Эдмунд; Коллинг, Мириам; Дайкс, Джозеф; Кардасопулос, Февос; Миттон, Кэти (2016). «Томография быстрых нейтронов с распознаванием формы импульса в реальном времени в органических сцинтилляционных детекторах» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 834 : 36–45. Бибкод : 2016NIMPA.834...36J . дои : 10.1016/j.nima.2016.07.044 .
- ^ Леманн, Эберхард; Плейнерт, Хелена; Визель, Лузиус (1996). «Проектирование установки нейтронной радиографии на расщепленном источнике SINQ». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 377 (1): 11–15. Бибкод : 1996NIMPA.377...11L . дои : 10.1016/0168-9002(96)00106-4 .
- ^ Андерссон, П.; Вальдор-Блюхер, Дж.; Андерссон Сунден, Э.; Сьёстранд, Х.; Якобссон-Свард, С. (2014). «Проектирование и первоначальные рентгенографические испытания мобильной системы радиографии и томографии на быстрых нейтронах FANTOM». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 756 : 82–93. Бибкод : 2014NIMPA.756...82A . дои : 10.1016/j.nima.2014.04.052 .
- ^ Дюмке, Э.; Грейм, Л. (1983). «Визуализация быстрых нейтронов с помощью фольги из нитрата целлюлозы». Нейтронная рентгенография . Дордрехт: Springer: 565. doi : 10.1007/978-94-009-7043-4_68 . ISBN 978-94-009-7045-8 .
- ^ Станоев Перейра, Массачусетс; Маркес, Дж.Г.; Пульези, Р.; Сантос, JP (2014). «Улучшенная трековая нейтронная радиография с использованием CR-39». Нукл. Инструмент. Методы Физ. Рез. А. 764 : 310. Бибкод : 2014NIMPA.764..310P . дои : 10.1016/j.nima.2014.07.061 .
- ^ Френье, Дж.А.; Лизать; Сеген, FH; и др. (2002). «Абсолютные измерения выходов нейтронов от имплозий DD и DT на лазерной установке ОМЕГА с использованием трековых детекторов CR-39». Обзор научных инструментов . 73 (7): 2597. Бибкод : 2002RScI...73.2597F . дои : 10.1063/1.1487889 .
- ^ Перейти обратно: а б с Сауэрби, Б.Д.; Катмор, штат Нью-Йорк; Лю, Ю.; Пэн, Х.; Тикнер, младший; Се, Ю.; Зонг, К. (8 мая 2009 г.). «Последние разработки в области радиографии на быстрых нейтронах для досмотра авиагрузовых контейнеров» . Конференция МАГАТЭ . Вена.
- Практическое применение нейтронной радиографии и измерений; Бергер, Гарольд, ASTM