Визуализация связанных частиц
Визуализация связанных частиц ( API ), иногда называемая методом меченых нейтронов (TNM), [ 1 ] [ 2 ] — это метод трехмерного изображения, который отображает распределение элементов внутри объекта. В визуализации связанных частиц каждая реакция синтеза дейтерия-трития производит быстрый нейтрон и связанную с ним частицу (например, альфа-частицу ), которые движутся в противоположных направлениях в системе центра масс . Измеряя время и положение соответствующей частицы, можно определить траекторию нейтрона. Нейтрон может затем попасть в интересующий объект, где он, вероятно, подвергнется неупругому рассеянию . Это производит одно или несколько гамма-лучей определенной энергии, зависящей от элемента , на котором рассеивается нейтрон. Измерив энергию гамма-излучения, элемент можно идентифицировать. Время, когда гамма-лучи совпадают с соответствующей частицей, позволяет получить трехмерное изображение элементного состава объекта. Этот метод находит применение в сельском хозяйстве (например, обследование почвы ), национальной безопасности ( борьба с терроризмом и наблюдение за оружием) и обнаружении алмазов. [ 1 ] среди других областей. [ 3 ]
Механизм
[ редактировать ]Система визуализации частиц, связанных с дейтерием-тритием, в основном состоит из дейтериевого ускорителя , мишени, содержащей тритий , детектора, чувствительного к положению и времени входящих альфа-частиц , и детектора гамма-излучения . Объект интереса размещается с одной стороны мишени, перпендикулярно направлению пучка дейтерия, а альфа-детектор – с другой стороны.
Дейтерий сливается с тритием в мишени, образуя нейтрон с энергией 14,1 МэВ и альфа-частицу с энергией 3,5 МэВ. Нейтрон и альфа-частица летят в противоположных направлениях с известной скоростью. Измеряется положение и время прибытия альфы. Нейтрон может войти в интересующий объект и столкнуться с ядром, переводя ядро в возбужденное состояние . Когда ядро распадается в основное состояние, оно испускает одно или несколько гамма-лучей. Энергия и время гамма-излучения измеряются детектором гамма-излучения. Когда альфа-частица и гамма-излучение наблюдаются в течение очень маленького промежутка времени (менее 80 нс [ 3 ] ), считается, что они возникают в результате одной и той же реакции синтеза. Скорость нейтрона и гамма-излучения известна, как и траектория связанного с ним альфа-излучения (и, следовательно, нейтрона), поэтому можно рассчитать место взаимодействия нейтрона и ядра. Энергии гамма-лучей уникальны для конкретного ядра и поэтому могут использоваться для идентификации элемента, участвующего во взаимодействии. В результате многих наблюдаемых взаимодействий создается трехмерное отображение элементов внутри интересующего объекта.
Скорость производства нейтронов должна поддерживаться достаточно низкой, чтобы избежать случайных совпадений, т. е. создания двух нейтрон-альфа-пар в одном и том же окне совпадений. В этом сценарии невозможно отличить, какой гамма-луч от какого нейтрона пришел. Это устанавливает верхний предел скорости счета и, следовательно, нижний предел времени, необходимого для правильного изображения объекта. [ 4 ]
В то время как угол между нейтроном и альфой составляет 180 градусов для системы центра масс, в лабораторной системе этот угол немного меньше . Кроме того, пучок дейтерия содержит ионы с разными импульсами, поэтому скорость центра масс также варьируется для каждой реакции. Это способствует неопределенности измерения, которую можно частично скорректировать. [ 5 ]
Приложения
[ редактировать ]Визуализация связанных частиц находит применение в фундаментальной науке, особенно при точном измерении величин, связанных с неупругим рассеянием нейтронов, для изучения ядерных данных. [ 6 ]
В контексте национальной безопасности методика представляет интерес благодаря ее использованию при активных допросах. [ 7 ] Например, можно идентифицировать и контролировать защищенный расщепляющийся материал, опасные химические вещества и другие скрытые незаконные материалы.
Исследования, связанные с сельским хозяйством, например, связанные с секвестрацией углерода, могут использовать визуализацию связанных частиц для измерения концентрации углерода в образце почвы определенного объема. Затем можно экстраполировать, сколько углерода изолируется в районе, где был взят образец. [ 5 ] Это может быть полезно не только на Земле, но и в будущих миссиях на поверхности планет в Солнечной системе. [ 2 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Алехин, В. Ю.; Быстрицкий В.М.; Замятин Н.И.; Зубарев Е.В.; Красноперов А.В.; Рапацкий В.Л.; Рогов, Ю. Н.; Садовский, А.Б.; Саламатин А.В.; Салмин, РА; Сапожников М.Г.; Слепнев В.М.; Хабаров С.В.; Разинков Е.А.; Тарасов, О.Г. (11 июня 2015 г.). «Обнаружение алмазов в кимберлитах методом меченых нейтронов» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 785 : 9–13. дои : 10.1016/j.nima.2015.02.049 . ISSN 0168-9002 .
- ^ Jump up to: а б Литвак, М.Л.; Бармаков Ю.Н.; Беличенко С.Г.; Бестаев, Р.Р.; Боголюбов Е.П.; Гавриченков А.В.; Козырев А.С.; Митрофанов И.Г.; Носов А.В.; Санин, А.Б.; Швецов В.Н.; Юрков Д.И.; Зверев, В.И. (01.04.2019). «Приборы для визуализации частиц для будущих миссий на поверхности планет» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 922 : 19–27. дои : 10.1016/j.nima.2018.11.050 . ISSN 0168-9002 .
- ^ Jump up to: а б Энергетика, Министерство энергетики США (1 мая 1998 г.). «Визуализация связанных частиц (API)» . Дополнительная информация: PBD: май 1998 г. дои : 10.2172/304166 . Проверено 21 ноября 2023 г.
- ^ Эйллон Унсуэта, Маурисио; Людвигт, Бернхард; Мак, Брайан; Так, Танай; Персо, Арун (2021). «Полностью цифровая система визуализации связанных частиц для трехмерного определения распределения изотопов» . Обзор научных инструментов . 92 (6). arXiv : 2009.06768 . Бибкод : 2021RScI...92f3305U . дои : 10.1063/5.0030499 . ПМИД 34243572 . S2CID 221702912 . Проверено 21 ноября 2023 г.
- ^ Jump up to: а б К. Иган, А. Амселлем, Д. Клайд, Б. Людевигт и А. Персо, «Поправки центра масс при визуализации связанных частиц», в IEEE Transactions on Nuclear Science , vol. 70, нет. 10, стр. 2322–2328, октябрь 2023 г., doi: 10.1109/TNS.2023.3313873.
- ^ Bystritsky, V. M.; Grozdanov, D. N.; Zontikov, A. O.; Kopach, Yu. N.; Rogov, Yu. N.; Ruskov, I. N.; Sadovsky, A. B.; Skoy, V. R.; Barmakov, Yu. N.; Bogolyubov, E. P.; Ryzhkov, V. I.; Yurkov, D. I. (2016-07-01). "Angular distribution of 4.43-MeV γ-rays produced in inelastic scattering of 14.1-MeV neutrons by 12C nuclei" . Physics of Particles and Nuclei Letters . 13 (4): 504–513. doi : 10.1134/S154747711604004X . ISSN 1531-8567 .
- ^ Долан, Дж.Л.; Маркат, MJ; Фласка, М.; Поцци, Южная Каролина; Чичестер, ДЛ; Томанин А.; Пирани, П. (21 февраля 2014 г.). «Активные измерения быстрых нейтронов вынужденного деления низкообогащенного урана» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 738 : 99–105. Бибкод : 2014NIMPA.738...99D . дои : 10.1016/j.nima.2013.11.052 . ISSN 0168-9002 .