Grzegorz Jezierski

KRAJOWA KONFERENCJA BADAē RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2005”
26 - 28 wrzeĞnia 2005 r
Radiografia báyskowa – początki i teraĨniejszoĞü
Grzegorz Jezierski
Politechnika Opolska
1.Wprowadzenie.
Znaczna wiĊkszoĞü radiologicznych badaĔ nieniszczących stosowanych w przemyĞle czy
gospodarce dotyczy:
Ź badania zjawisk statycznych, ewentualnie wolnozmiennych (np. radioskopia spoin w
rurach podczas ich produkcji w hutach itp.).
Ź przedmiotem badaĔ są materiaáy powszechnie stosowane jak stopy metali, ceramika czy
polimery,
Ź wykorzystywane jest przede wszystkim promieniowanie gamma ze sztucznych izotopów
promieniotwórczych, promieniowanie rentgenowskie uzyskiwane z aparatów rtg. o napiĊciu
do 1MV, rzadziej z akceleratorów liniowych o energii max 12 MeV (patrz róĪne normy
dotyczące technik wykonywania przemysáowych badaĔ radiograficznych).
W nawiązaniu do publikacji ksiąĪkowej prof. D. Senczyka pt: „Impulsowa defektoskopia
rentgenowska” (wydawnictwo Politechniki PoznaĔskiej – 2003r), która byáa demonstrowana
na konferencji w Popowie w ubiegáym roku, warto moĪe nieco przybliĪyü tĊ mniej znaną
naszym radiologom dziedzinĊ badaĔ radiologicznych. W krótkim materiale przedstawione
zostaną jedynie początki radiografii báyskowej (termin radiografii przyjĊty umownie w
literaturze, bowiem faktycznie stosowane są czĊĞciej inne detektory promieniowania niĪ báona
radiograficzna) a takĪe wspóáczesne wielkie urządzenia sáuĪące do nietypowych zastosowaĔ
(gáównie związanych z bronią jądrową).
2. Początki radiografii báyskowej.
Do powstania i decydującego rozwoju radiografii báyskowej (flash radiography) przyczyniáa
siĊ niewątpliwie budowa pierwszej bomby atomowej w Stanach Zjednoczonych w ramach
realizacji „Projektu Manhattan” (11 sierpieĔ 1942r. – 9 sierpieĔ 1945r.). W nowo powstaáym
laboratorium szybkich neutronów (Site Y) w Los Alamos (Nowy Meksyk) opracowano i
realizowano dwa warianty uzyskania masy nadkrytycznej z materiaáów rozszczepialnych,
okreĞlane jako metoda „dziaáa” oraz metoda implozyjna.
W celu opanowania implozji w musiano znacznie rozwinąü diagnostykĊ, znaleĨü sposoby
obserwacji i pomiarów zjawisk, które zaczynaáy siĊ koĔczyáy w czasie znacznie krótszym niĪ
mgnienie oka. Przebieg zgniatania stalowych rur w doĞwiadczeniach Setha Neddermeyera
moĪna byáo obserwowaü za pomocą skierowanej na otwór rury kamery z lampą báyskową i
1
KRAJOWA KONFERENCJA BADAē RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2005”
26 - 28 wrzeĞnia 2005 r
Rys.1. Metoda „dziaáa” oraz metoda implozyjna
bardzo szybką migawką, ale jak fizycy Wydziaáu G mieli obserwowaü ksztaát fali
detonacyjnej rozchodzącej siĊ w litym materiale wybuchowym albo ĞciĞniĊcie metalowej
kuli, którą ten materiaá otaczaá.
Rys.2. PozostaáoĞci po teĞcie implozji bocznej rury
Najpewniejszą metodą byáa metoda radiograficzna. Adaptacja diagnostyki radiograficznej
(rentgenowskiej) do prowadzenia na coraz wiĊkszą skalĊ badaĔ implozji zmuszaáa do ochrony
delikatnych aparatów rentgenowskich przed powtarzającymi siĊ wybuchami do 100 kg
materiaáów wybuchowych naraz. Próby implozji przeprowadzano wiĊc miĊdzy dwoma blisko
2
KRAJOWA KONFERENCJA BADAē RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2005”
26 - 28 wrzeĞnia 2005 r
siebie poáoĪonymi schronami. W jednym schronie znajdowaá siĊ impulsowy (báyskowy)
aparat rentgenowski, a w drugim urządzenia rejestrujące. Badania tego typu nadawaáy siĊ do
obserwacji zachowania siĊ podczas testu samego materiaáu wybuchowego. Znacznie
trudniejsze byáo badanie zagĊszczenia metalicznego rdzenia. Stosowano w tym celu dwie
techniki badaĔ radiograficznych. Jedną z nich byáo wykorzystanie promieniowania
rentgenowskiego o bardzo duĪej energii, uzyskiwanego z betatronu1. W tym celu kierownik
laboratorium w Los Alamos Robert Oppenheimer Ğciągnąá z Uniwersytetu stanu Illinois
betatron o energii elektronów 15 MeV. Czas trwania impulsu emisji elektronów z betatronu
wynosiá 1 µs. Jako detektor stosowano komorĊ mgáową (Wilsona)2, w której powstają tory
jonizacyjne utworzone z kropelek wody zawieszonych w mgle, fotografowane za pomocą
aparatu stereoskopowego. Przed komorą mgáową umieszczono szkáo oáowiowe, w którym
dochodzące po przejĞciu przez badany obiekt promieniowanie gamma o duĪej energii
powodowaáo z kolei wytwarzanie tzw. elektronów odrzutu (elektrony powstające w zjawisku
Comptona) dających Ğlady w komorze mgáowej.
Aby moĪna byáo zastosowaü te technikĊ naleĪaáo opracowaü ukáad synchronizujący, który
szybko, ale precyzyjnie wywoáuje kolejno: wybuch materiaáu wybuchowego, impuls
promieniowania rentgenowskiego z betatronu, przesuniĊcie táoka komory mgáowej w celu
rozprĊĪenia pary, oraz otwarcie migawki aparatu
Rys.3. Obrazy radiologiczne kulistego rdzenia metalowego przed i po detonacji
do fotografowania torów.
1
Betatron – urządzenie przyspieszające elektrony po orbitach koáowych do duĪej prĊdkoĞci w polu
magnetycznym. Uzyskany w ten sposób strumieĔ elektronów kierowany jest na tarczĊ, aby wytworzyü
promieniowanie rentgenowskie o duĪej energii.
2
Komora mgáowa, komora Wilsona – Ğladowy detektor promieniowania jonizującego, komora wypeániona
przesyconą parą. Jony powstaáe w wyniku jonizacji wzdáuĪ toru przelotu cząstki jonizującej stają siĊ zarodkami
kondensacji i przy odpowiednim oĞwietleniu mogą byü fotografowane.
3
KRAJOWA KONFERENCJA BADAē RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2005”
26 - 28 wrzeĞnia 2005 r
Ale znacznie ciekawszą byáa metoda zaproponowana w listopadzie 1943r. przez Roberta
Serbera, w której samo Ĩródáo promieniowania gamma umieszczano wewnątrz tj. centrycznie
badanego materiaáu (obiektu). PoniewaĪ eksplozja umieszczonego na zewnątrz badanego
materiaáu, powodowaáa jego kompresjĊ (implozjĊ do wewnątrz) skutkowaáo to zwiĊkszeniem
absorpcji promieniowania gamma przenikającego na zewnątrz do specjalnie opracowanego
ukáadu detekcji. OczywiĞcie nie eksperymentowano z bezcennym plutonem, którym wówczas
przecieĪ nie dysponowano, a tylko z uranem zuboĪonym jako substytutem. MetodĊ tĊ
Rys. 4. Schemat przedstawiający eksperyment RaLa
nazwano eksperymentem RaLa, od zastosowanego w tym przypadku Ĩródáa promieniowania
(radiolantanu), tj. promieniotwórczego lantanu La-140 jako silnego Ĩródáa promieniowania
gamma (o energii 0,49 MeV – 46% i 1,6 MeV – 96%)3 o bardzo duĪej aktywnoĞci. Izotop La140 (o okresie poáowicznego rozpadu 40 h), powstaje wskutek rozpadu izotopu baru Ba-140
(okresie 12,8 dni), który to pierwiastek stanowi jeden z produktów reakcji rozszczepienia
jąder uranu. Sam bar Ba-140 wydzielany byá z wypalonego paliwa reaktora X-10 w Oak
Ridge (Tennessee) i w specjalnym pojemniku szybko przewoĪony przez dwóch Īoánierzy
wojskową ciĊĪarówką non-stop do odlegáego o 1500 mil Los Alamos. Tutaj natychmiast pod
kierunkiem Gerharta Friedlandera dokonywano procesu chemicznego wydzielenia lantanu
La-140, po czym umieszczano go w kapsule o ksztaácie grochu. Operowano przy tym bardzo
silnym Ĩródáem promieniowania, bo o aktywnoĞci aĪ 1000 Ci – 0,0018g lantanu (Ğrednica 0,1
mm). Poziom promieniowania od takiego Ĩródáa wynosiá z odlegáoĞci 1 m odpowiednio 1130
3
Dla porównania znane w radiografii przemysáowej Ĩródáo Co-60, (o okresie poáowicznego rozpadu 5,3 lat)
które wytworzono po raz pierwszy w latach 1930-tych emituje promieniowanie gamma o energii 1,173 oraz
1,333 MeV
4
KRAJOWA KONFERENCJA BADAē RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2005”
26 - 28 wrzeĞnia 2005 r
R/h. UĪywano do tego celu doĞü prymitywnych na dzisiejsze czasy manipulatorów w postaci
wydáuĪonych teleskopów, a caáoĞü prac z tym związanych nazywano dla utajnienia
„gorącymi”. To wáaĞnie wówczas narodziá siĊ termin komór gorących stosowany
powszechnie do dzisiaj. Przy okazji warto zwróciü uwagĊ – rys. 7 jak wówczas „zdalnie”
operowano z tak silnymi Ĩródáami promieniowania.
Rys.5. Jeden z pierwszych ukáadów badania zjawiska implozji
Do rejestracji promieniowania gamma w eksperymentach RaLa zamiast komory mgáowej
(Wilsona) uĪywano zespóá czterech komór jonizacyjnych budowanych przez zespóá pod
kierunkiem Brunona Rossi'ego znanego badacza promieniowania kosmicznego. OczywiĞcie
Rys.6. Jeden z póĨniejszych ukáadów eksperymentu RaLa
5
KRAJOWA KONFERENCJA BADAē RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2005”
26 - 28 wrzeĞnia 2005 r
podczas wykonywanego testu zarówno Ĩródáo, caáy zespóá implozyjny jak i zespóá detektorów
ulegaá zniszczeniu, ale juĪ na nastĊpny dzieĔ byáo gotowe kolejne Ĩródáo Ba-140 a wiĊc i La140 oraz kolejne stanowisko testowe. W póĨniejszych latach uĪywano jako detektorów
promieniowania detektorami z ciekáymi scyntylatorami.
Eksperymenty z La-140 przeprowadzano w odlegáym jedna, dwie mile od laboratorium Los
Alamos kanionie Bayo. Nikt wówczas jeszcze nie wiedziaá, jakie skaĪenie wywoáa
promieniotwórczy lantan stosowany w tej metodzie. Luis Alvarez, który koordynowaá
pierwsze doĞwiadczenie, poĪyczyá dwa czoági z wojskowego poligonu, które posáuĪyáy jako
tymczasowe schrony. Generalnie eksperymenty RaLa byáy przeprowadzane wówczas, kiedy
wiatr wiaá w kierunku póánocym. JednakĪe czasami zdaĪaáy siĊ nagáe zmiany kierunku wiatru
i wówczas na drodze do Los Alamos pojawiaáy siĊ skaĪenia (moc dawki wynosiáa 5-10 mR/h)
Rys.7. „Zdalne” operowanie Ĩródáem La-140 o aktywnoĞci 1000 Ci
6
KRAJOWA KONFERENCJA BADAē RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2005”
26 - 28 wrzeĞnia 2005 r
w związku z czym chwilowo zatrzymywano ruch samochodów. Ogóáem w latach 1944–1962
(a wiĊc jeszcze po zakoĔczeniu „Projektu Manhattan”) przeprowadzono w Los Alamos 254
eksperymenty RaLa z uĪyciem lantanu La-140, (najwiĊkszy o aktywnoĞci 1600 Ci) które
spowodowaáy uwolnienie (przedostanie siĊ do atmosfery) 250 000 Ci La-140.
3. Radiografia báyskowa – wspóáczesne urządzenia
PoniewaĪ obowiązujący obecnie z 1996r. - Ukáad o Caákowitym Zakazie Prób Jądrowych Comprehensive Nuclear Test-Ban Treaty (CTBT), który zakazuje wszelkich próbnych
wybuchów broni jądrowych lub innych wybuchów jądrowych w kaĪdym miejscu na Ğwiecie,
powaĪnie ogranicza dotychczasowe prace nad konstrukcją nowych broni jądrowych, jak
równieĪ utrudnia ocenĊ gotowoĞci bojowej zmagazynowanych dotąd zapasów – nie jest
bowiem moĪliwe testowanie w peánej skali áadunków jądrowych – naleĪaáo przedsiĊwziąü
nowe metody i dziaáania, które by nie naruszaáy postanowieĔ tego ukáadu. Stąd teĪ, aby
sprawnie zarządzaü pozostaáym uzbrojeniem i infrastrukturą zdolną do jego udoskonalania,
produkcji i testowania, uruchomiono w Stanach Zjednoczonych w 1995r. specjalny program
badawczo-rozwojowy znany pod nazwą:. „Program Nadzoru i Zarządzania Zasobami Broni”
Tab.1. WydajnoĞü niektórych Ĩródeá promieniowania jonizującego z odlegáoĞci 1 m.
ħródáo promieniowania/dawka
WydajnoĞü R/min R/h
Aparat rtg gáowicowy G200/8 200 kV i 8 mA*
Aparat rtg koápakowy MCN321 320 kV i 10 mA*
MCN 165 100kV i 30 mA*
Aparat rtg impulsowy 43734A 450 kV i 6 kA
SF 1200 1200 kV i 20 kA
Akcelerator liniowy „Neptun 10”
Mitsubishi 12 MeV
Izotop Co-60 (10 Ci)
Ir-192 (50 Ci)
La-140 (1000 Ci)
Dawka niezbĊdna dla zaczernienia báony D=2
Punkt zero w teĞcie Trinity (24 h po eksplozji)
Dawka Ğmiertelna dla czáowieka
7,6 R/min
400 R/min
1000 R/min
0,2R w impulsie 25 ns
0,65R w impulsie 20 ns
2000 R/min
5500 R/min
13 R/h
24 R/h
1130 R/h (ok. 11 000 R/h z odl.30 cm)
0,3 – 3 R
600-700 R/h
400–600 R
Dopuszczalna dawka w latach 1934-1949
obecnie
PHERMEX (30 MeV)
(obecnie po „modernizacji”)
DARHT (19,8 MeV, 2 kA)
30 R/rok (5R/2 miesiące)
2 R/rok (20 mSv/rok)
9 R w impulsie 200 ns
400 R w impulsie 200 ns
500 R w impulsie 60 ns
* WartoĞci mierzone bez filtra i diafragmy.
7
KRAJOWA KONFERENCJA BADAē RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2005”
26 - 28 wrzeĞnia 2005 r
(Stockpile Stewardship and Management Program- SSMP). Niektórzy eksperci porównują ten
program na równi z realizowanym podczas II-ej wojny Ğwiatowej „Projektem Manhattan”,
czy póĨniejszym „Programem Apollo”. Sam koszt planowanych instalacji i urządzeĔ dla
przeprowadzenia ww. badaĔ ma wynieĞü 2,6 miliarda $, a realizacja caáego programu w
przeciągu planowanych dziesiĊciu lat aĪ 20 miliardów $. Gáównym celem programu SSMP
jest potwierdzenie bezpieczeĔstwa i wáaĞciwych zdolnoĞci bojowych posiadanych zapasów
broni jądrowej.
W ramach ww. programu realizowane są w trzech wytypowanych w tym celu
laboratoriach paĔstwowych tj. Los Alamos, Sandia w Albuquerque (Nowy Meksyk) i
Lawrence Livermore (Kalifornia) oraz na poligonie w Nevadzie nastĊpujące dziaáania:
x
symulacje komputerowe,
x
eksperymenty z syntezą jądrową w skali laboratoryjnej,
x
przeprowadzanie wybuchów jądrowych podkrytycznych (hydrojądowych),
x
przeprowadzanie testów hydrodynamicznych.
Testami hydrodynamicznymi nazywamy próby implozji bez uĪycia materiaáu
rozszczepialnego (U-235, Pu-239), ale z materiaáem inercyjnym, którym jest np. uran
zuboĪony czy pluton Pu-2424. Prefiks „hydro” oznacza tutaj, iĪ materiaá ciaáa staáego pod
wpáywem fali uderzeniowej powstaáej wskutek eksplozji áadunku chemicznego zachowuje siĊ
podobnie jak ciecz, a wiĊc moĪe byü opisany równaniami hydrodynamiki. Tego rodzaju testy
mają na celu okreĞlenie wáasnoĞci róĪnych materiaáów uĪywanych w konstrukcji broni
jądrowej. Testy hydrodynamiczne stanowiáy zawsze waĪne narzĊdzie eksperymentalne dla
projektantów broni jądrowej. W latach 1958-1961, tj. w okresie obowiązywania moratotium
na stosowanie prób jądrowych Stany Zjednoczone przeprowadziáy ponad 40 testów
hyrdodynamicznych w páytkich studniach na terenie Los Alamos oraz poligonie w stanie
Nevada. Testy te na ogóá są przeprowadzane w gruboĞciennych zbiornikach stalowych,
niekiedy o podwójnych Ğciankach, bowiem szrapnele z eksplozji mogą penetrowaü materiaá
np. do gáĊbokoĞci 25 mm w stali.
Do obserwacji zachowania siĊ materiaáów rozszczepialnych podczas implozji (np.
wywoáanej materiaáami wybuchowymi) uĪywa siĊ oczywiĞcie metody radiografii báyskowej
wykorzystując
do
tego
celu
wysokoenergetyczne
silne
Ĩródáa
promieniowania
rentgenowskiego, tj. uzyskiwane z akceleratorów. Pierwsze akceleratory cząstek, które byáy
4
Izotop plutonu Pu-242 jest rozszczepialny, ale przez neutrony o energii ponad 1 MeV, a ponadto jego masa
krytyczna wynosi nieco ponad 100 kg, wiĊc jest 10-cio krotnie wiĊksza niĪ dla Pu-239.
8
KRAJOWA KONFERENCJA BADAē RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2005”
26 - 28 wrzeĞnia 2005 r
niezbĊdne podczas prac związanych z budową bomby atomowej, dzisiaj okazują siĊ byü
równieĪ niezbĊdne dla utrzymania jej w stanie technicznej gotowoĞci oraz
Rys.8 . Technicy wkáadający maáą iloĞü materiaáu wybuchowego do zbiornika przeznaczonego
dla testu hydrodynamicznego
dalszego jej rozwoju. Aktualnie stosowane jest wiele róĪnych urządzeĔ, wĞród których naleĪy
wymieniü waĪniejsze z nich, tj. uruchomiony w 1963r. PHERMEX (Pulsed High-Energy
Radiographic Machine Emitting X-rays) w Los Alamos czy FXR (Flash X-Ray) w Livermore
(Kalifornia). Dla informacji moĪna podaü, iĪ w jednym tylko 1997r. przeprowadzono 38
testów hydrodynamicznych z wykorzystaniem urządzenia PHERMEX.
Rys.9. Widok na eksplozjĊ i bunkier z urządzeniem PHERMEX
9
KRAJOWA KONFERENCJA BADAē RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2005”
26 - 28 wrzeĞnia 2005 r
Rys.10. Obraz radiograficzny uzyskany przy uĪyciu PHERMEX zachowania siĊ materiaáu
(aluminium) jako páynu (hydrodynamika)
NaleĪy dodaü, iĪ urządzenia typu PHERMEX jakkolwiek budowane byáy gáównie dla badaĔ
zachowania siĊ materiaáów wybuchowych, czy w ogóle zastosowaĔ materiaáów uĪywanych
do produkcji broni jądrowych, to wykorzystywano je równieĪ w celach czysto cywilnych –
np. rys.10.
Na zakoĔczenie warto wspomnieü o innym duĪym przedsiĊwziĊciu badawczym
wykorzystującym radiografiĊ báyskową. OtóĪ w 2004r. w Los Alamos uruchomiono specjalne
stanowisko
do
testów
hydrodynamicznych,
umoĪliwiające
dokonywanie
badaĔ
radiograficznych równoczeĞnie w dwóch wzajemnie prostopadáych kierunkach tzw. Dual-
Rys.11. Widok na DARHT w Los Alamos
10
KRAJOWA KONFERENCJA BADAē RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2005”
26 - 28 wrzeĞnia 2005 r
Axis Radiographic Hydrotest (DARHT). Koszt tej instalacji (powierzchnia 3,2 ha!)
budowanej etapowo od 1997r. wyniósá prawie 280 milionów dolarów. ObsáugĊ stanowiska
DARHT stanowi 150 osób. W dalszych planach przewidziane jest uruchomienie stanowiska
do badaĔ radiograficznych wysoce wybuchowych materiaáów w trzech kierunkach tzw. AHF
(Advanced Hydrotest Facility). Koszt tego ostatniego stanowiska szacuje siĊ w zakresie 400
milionów do 1 miliarda dolarów. Podobnymi stanowiskami do przeprowadzania testów
hydrodynamicznych dysponują takĪe inne mocarstwa atomowe jak np. Francja (AIRIX),
Wielka Brytania (Moguls) oraz Federacja Rosyjska ( BIM-M).
NiezaleĪnie od radiografii báyskowej wykorzystującej promieniowanie X, w Los Alamos
prowadzi siĊ badania metodą radiografii (báyskowej) wykorzystującej protony przyspieszane
do energii 800 MeV w urządzeniu zwanym LANSCE (Los Alamos Neutron Science Center),
budowanym wczeĞniej jako Los Alamos Meson Physics Facility (LAMPF). Zastosowanie
protonów jako cząstek naáadowanych umoĪliwia wykorzystanie soczewek magnetycznych, co
przyczynia siĊ do uzyskania lepszej jakoĞci obrazu radiograficznego (analogicznie jak przy
uĪyciu soczewek optycznych).
Rys. 12. Widok na kulistą stalową komorĊ (o masie 3 ton) w urządzeniu LANSCE, w której ma
miejsce mikroeksplozja
Tak wiĊc niezaleĪnie od trudnoĞci technicznych okazuje siĊ, iĪ koszty związane z
utrzymaniem dzisiaj broni jądrowej są bardzo wysokie i porównywalne z kosztami jej
wyprodukowania.
11
KRAJOWA KONFERENCJA BADAē RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2005”
26 - 28 wrzeĞnia 2005 r
4. Literatura
1. Dominik Senczyk – Impulsowa defektoskopia rentgenowska, Wydawnictwo Politechniki
PoznaĔskiej, PoznaĔ 2003r.
2. Gregory S. Cunningham, Christoher Morris - The Development of Flash Radiography –
The Manhattan Project, PHERMEX and DARHT, Proton Radiography at LANSCE, Los
Alamos Science, Nr 28, 2003r.
3. John C. Taschner -The RaLa/ Bayo Canyon Implosion Program
http://hps1.org/chapters/snv/RaLaProgramSNChapter.pdf
4. Thomas Wangler, Paul W. Lisowski – The LANSCE National User Facility, Los Alamos
Science Nr 28, 2003r.
12