Grzegorz Jezierski

Radiografia neutronowa
Grzegorz Jezierski
Politechnika Opolska
1. Wstęp
Radiografia neutronowa [Neutron Radiography (NR)] – jakkolwiek stosowana na
mniejszą skalę od radiografii promieniowaniem rentgenowskim czy gamma – już w latach 60.
ubiegłego wieku stała się rutynową metodą defektoskopową. Początkowo nie spotkała się ona
z tak powszechnym zainteresowaniem jak radiografia rentgenowska. Promienie X, zwane
rentgenowskimi wykryte przez niemieckiego uczonego Wilhelma Roentgena w 1895 r.
niemal natychmiast znalazły praktyczne zastosowanie przede wszystkim w radiografii
medycznej (ale nie tylko), a to z powodu łatwego sposobu wytwarzania tegoż
promieniowania, co stało się powszechnie dostępne, a także z powodu prostej rejestracji
obrazu rentgenowskiego na kliszach fotograficznych czy ekranach fluoroskopowych.
Neutrony - cząstki będące składnikami jąder atomowych – zostały odkryte przez angielskiego
uczonego Jamesa Chadwicka dopiero w 1932 r., a więc niecałe 40 lat później. Wykorzystanie
ich w radiografii napotyka na trudności z dwóch powodów: wysokich kosztów źródeł
neutronów odpowiednich do celów radiografii, a także z tego powodu, iż neutrony jako
cząstki pozbawione ładunku elektrycznego nie oddziaływają z elektronami powłok atomu i
łatwo przenikają materię (są bardzo przenikliwe), co powoduje problemy związane z
bezpieczeństwem przy ich stosowaniu.
Mimo że u nas w kraju istnieje możliwość stosowania tej metody badawczej
aczkolwiek w ograniczonym zakresie, z wykorzystaniem reaktora jądrowego Maria w
Instytucie Energii Atomowej Świerku (Środowiskowe Laboratorium Neutronografii) to
jednak poza próbami (na obiektach o małych rozmiarach do 60 cm) w tym również
zastosowania autoradiografii malowideł (sześć obrazów szkoły weneckiej) [1] nie prowadzi
się aktualnie żadnych badań dla potrzeb przemysłu. Stąd też warto może przybliżyć nieco tę
ciekawą dziedzinę badań nieniszczących.
2. Podstawy metody
Neutrony, które są trwałymi składnikami jąder atomowych, poza jądrem są nietrwałe –
średni czas życia neutronu w próżni wynosi ok. 1000 s, czyli ponad 16 min 1 . Zgodnie z teorią
1
Średni czas życia τ = T1/2/ln2, gdzie T1/2 dla neutronu wynosi 11 min.
1
korpuskularno-falową neutronowi o danej energii kinetycznej można przypisać pewną
długość fali. W przypadku neutronów termicznych (tab.1) długość fali jest rzędu odległości
między atomami w ciele stałym (2 Å, czyli 2·10-10 m).
Ponieważ mechanizm oddziaływania promieniowania neutronowego z materią jest
zdecydowanie
inny
niż
promieniowania
rentgenowskiego,
stąd
też
inne
cechy
charakterystyczne materiału będą odwzorowywane w obrazie radiologicznym. Jak wiadomo
osłabienie promieniowania elektromagnetycznego (rentgenowskiego i gamma) maleje wraz z
malejącą liczbą atomową pierwiastka Z; liniowy współczynnik osłabienia promieniowania μ
jest proporcjonalny do Z3. Neutrony, które są elektrycznie obojętne, słabo oddziałują z
materią, stąd też charakteryzują się znacznym zasięgiem penetracji. Ponadto, ponieważ
oddziaływają z jądrami atomów, a nie z elektronami 2 powłok atomowych, każde jądro
atomowe charakteryzuje się różnym prawdopodobieństwem absorpcji lub rozproszenia
neutronu. Wiązka neutronów przenikając przez materię ulega osłabieniu głównie wskutek
rozproszenia a także wskutek wychwytu neutronu przez jądro atomowe (reakcja
rozszczepienia jest możliwa tylko dla kilku materiałów). Zależność osłabienia wiązki
neutronów od grubości x danego materiału matematycznie jest identyczna jak w przypadku
osłabienia promieniowania elektromagnetycznego (rentgenowskiego lub gamma):
I = Io·e-μ·x
gdzie: I i Io - natężenie wiązki neutronów odpowiednio za i przed badanym obiektem o
grubości x, μ – liniowy współczynnik osłabienia wiązki neutronów [cm-1],
μ = σc·N
σc = σr
+ σa - przekrój czynny będący sumą przekroju czynnego na rozpraszanie oraz
3
absorpcję [cm2],
N - gęstość atomowa, czyli liczba centrów rozpraszających w jednostce objętości.
Ponieważ liniowy współczynnik osłabienia zależy od gęstości materiału, wprowadzono też
pojęcie masowego współczynnika osłabienia μm, gdzie μm = μ/ρ; wówczas grubość g jest
wyrażana w jednostkach zwanych gęstością powierzchniową d, gdzie d = x·ρ [g/cm2].
Podobnie jak w przypadku promieniowania elektromagnetycznego (rentgenowskiego czy
gamma) dla neutronów również istnieje pojęcie warstwy połowicznego osłabienia.
2
Neutrony wytwarzają bardzo małą jonizację bezpośrednią, mianowicie jedną parę jonów na metr toru, w
porównaniu z ok. milionem w przypadku protonu o tej samej energii.
3
Prawdopodobieństwo zajścia danej reakcji jądrowej określa się w fizyce jądrowej mianem przekroju czynnego
(σ) na tę reakcję. Przekrój ten ma wymiar powierzchni i przedstawia pozorny „przekrój tarczy” jądra
atomowego. Ponieważ powierzchnia jądra atomowego jest rzędu 10-24 cm2, tę wartość przyjęto za jednostkę
przekroju i nazwano barnem.
2
Cechą charakterystyczną oddziaływania neutronów z materią jest ponadto to, iż
niektóre lekkie pierwiastki jak np. wodór, bor czy lit charakteryzują się znacznie większym
pochłanianiem neutronów niż pierwiastki ciężkie jak np. żelazo czy ołów. Skutkuje to
unikalnymi zastosowaniami radiografii neutronowej, dla której ciężkie materiały o wysokim
Z są przepuszczalne dla neutronów. Dzięki tej właściwości radiografia neutronowa znalazła
zastosowanie w sytuacji, kiedy występuje konieczność wykonania radiogramu materiału o
małej liczbie Z, znajdującego się w otoczeniu materiału o dużym Z. Stąd też radiografia
neutronowa jest uznawana za komplementarną metodę w odniesieniu radiografii
promieniowaniem rentgenowskim (czy gamma).
Rys.1. Zdjęcie zapalniczki świetle widzialnym (a), obraz rentgenowski (b) oraz obraz uzyskany przy
użyciu neutronów (c) [5]
Rys. 2. Widoczne różnice pomiędzy radiografią X (lewy obraz) a radiografią neutronową (prawy obraz)
Dla podkreślenia tych różnic na rys. 3 przedstawiono zależność masowego współczynnika
pochłaniania dla wybranych materiałów odpowiednio dla promieniowania rentgenowskiego
(30 keV) oraz neutronów termicznych, a na rys. 4 pokazano przebieg masowego
współczynnika
pochłaniania
dla
neutronów
rentgenowskiego w funkcji liczby atomowej Z.
3
termicznych
oraz
promieniowania
Poszczególne pierwiastki (a nawet jego izotopy) wykazują dla neutronów znaczne
zróżnicowanie tych współczynników w porównaniu z promieniowaniem rentgenowskim o
danej energii. Do pierwiastków o dużym przekroju czynnym na absorpcję neutronów
(termicznych) należą: iryd σa = 426 barnów, kadm σa = 2450 barnów, samar σa = 5800
barnów i gadolin σa = 49 000 barnów, z kolei wodór posiada największy przekrój czynny na
rozpraszanie σr = 20,49. Dla porównania warto przytoczyć odpowiednie przekroje czynne np.
dla żelaza σa = 2,56 barnów i σr = 11,35 barnów.
Rys. 3. Masowy współczynnik pochłaniania wybranych materiałów
4
Ponieważ pochłanianie neutronów zależy także od ich energii, przyjęto umowny podział w
zależności od ich energii i odpowiednie nazewnictwo neutronów – tabela 1.
Rys. 4. Wartości masowego współczynnika pochłaniania w funkcji liczby atomowej Z dla neutronów
powolnych (λn = 108 pm) oraz twardego promieniowania X (λX = 9,8 pm)
Tabela 1. Umowny podział neutronów w zależności od ich energii 4
Rodzaj neutronu
ultra zimne
neutrony
zimne
powolne
termiczne
epitermiczne
neutrony o energiach
pośrednich
neutrony prędkie
Energia kinetyczna
< 0,300 neV
0,12 – 12 meV
12 meV – 100 meV
100 meV - 1 eV
1 eV – 0,8 MeV
> 0.8 MeV
Należy zaznaczyć, iż aktualnie dość intensywnie rozwija się oprócz tradycyjnej już
radiografii neutronowej również radioskopia neutronowa oraz tomografia neutronowa,
niemniej w niniejszym materiale zostanie przedstawiona bliżej jedynie radiografia
neutronowa.
W radiografii neutronowej stosuje się przede wszystkim neutrony powolne (termiczne
i epitermiczne) o energii 0,005 – 0,5 eV, znacznie rzadziej stosuje się neutrony prędkie o
energiach 100 keV, 1 MeV i 10 MeV. Strumień neutronów na wyjściu ze spowalniacza
4
Podział ten może się nieco różnić w różnych publikacjach
5
powinien być jednorodny, tzn. składać się wyłącznie z neutronów o energii termicznej.
Obecność neutronów o większych energiach, a zwłaszcza neutronów prędkich, zmniejsza
pożądany kontrast i pogarsza jakość obrazu. Ponieważ neutrony są emitowane we wszystkich
kierunkach, niezbędna jest ich kolimacja w celu uzyskania jednorodnej wiązki neutronowej,
jaka jest pożądana do otrzymania obrazu radiograficznego dobrej jakości.
Rys. 5. Uproszczony schemat badania metodą radiografii neutronowej
Typowy układ do badań w radiografii neutronowej składa się oprócz źródła prędkich
neutronów i wspomnianego już spowalniacza (moderatora), z kolimatora, filtru dla
promieniowania gamma oraz detektora neutronów. W praktyce stosowane są podstawowe
dwa układy badawcze: z kolimatorem rozbieżnym oraz kolimatorem otworkowym (przesłoną
otworkową) [13]. Pierwszy rodzaj układu tj. z kolimatorem rozbieżnym jest stosowany w
przypadku większych obiektów badanych w pojedynczych ekspozycjach.
Rys. 6. Układ badawczy w radiografii neutronowej z kolimatorem rozbieżnym (a) oraz otworkowym (b)
Kolimator rozbieżny ma kształt tunelu obudowanego blachą z kadmu, indu czy
dysprozu, który to materiał charakteryzuje się silnym pochłanianiem neutronów termicznych.
Przesłona otworkowa wykonana jest z kadmu, gadolinu lub izotopu boru 10B.
6
Warunki geometryczne badania w neutronografii powinny być dobrane pod kątem
uzyskania jak najmniejszego stosunku D/L danego kolimatora, co wynika z zależności
określającej nieostrość geometryczną obrazu w neutronografii
Ug = a⋅
D
L
Gdzie: D - średnica apertury (otwór wyjściowy kolimatora neutronów) [cm], L –
odległość badanego elementu od źródła neutronów [cm], a – odległość wady od detektora
promieniowania neutronowego [cm].
3. Źródła neutronowe dla celów radiografii
Jako źródła neutronów w radiografii wykorzystuje się reaktory jądrowe, akceleratory
zarówno w postaci lamp neutronowych jak i w postaci generatorów neutronów, źródła
promieniotwórcze a także procesy spallacji 5 z wykorzystaniem wysokoenergetycznych
protonów. Stosowane w praktyce źródła neutronów emitują głównie neutrony prędkie. Dla
celów radiografii energia neutronów musi ulec spowolnieniu, czyli prędkość cząstek dzięki
wielokrotnym zderzeniom sprężystym w ośrodku spowalniacza (moderatora) powinna zostać
znacznie zmniejszona. Uzyskuje się to poprzez otoczenie źródła neutronów lekkimi
materiałami takimi jak woda, olej, plastyki, parafina beryl lub grafit.
Reaktory jądrowe są preferowanymi źródłami neutronów do radiografii neutronami
termicznymi z uwagi na ich dużą wydajność. Strumień neutronów termicznych na wejściu do
kolimatora jest rzędu 1014 n/cm2·s, a po kolimacji odpowiednio 106-107 n/cm2·s; daje to
zarówno dobrą wiązkę (stosunek L/D jest rzędu setek) jak i czułość – czas ekspozycji rzędu
kilku do kilkudziesięciu minut.
Ważniejsze reaktorowe źródła neutronów stosowane do radiografii neutronowej w
krajach Europy przedstawiono w tabeli 2.
Akceleratory używane w radiografii neutronowej to akceleratory niskonapięciowe
wykorzystujące reakcję 3H(d,n)4He – tzw. lampy neutronowe, wysokoenergetyczne źródła
promieniowania X, w których ma miejsce reakcja (X,n) oraz akceleratory Van de Graaffa z
reakcją 9Be(d,n)10B. We wszystkich tych przypadkach tarcza jest otoczona moderatorem w
celu zmniejszenia energii neutronów. Akceleratory typu lamp neutronowych dostarczają
neutronów o energii 14 MeV w ilości do ~1011 n/s.
5
Spallacja, czyli reakcja kruszenia jądra – rozbicie jądra atomowego na wiele fragmentów z jednoczesna emisją
kilkunastu neutronów (średnio).
7
Tabela 2. Reaktorowe źródła neutronów w krajach Europy [6]
Nazwa
instalacji
ISIS
Organizacja
Lokalizacja
Oxford, Wielka Brytania
SINQ
Rutherford Appleton
Laboratory
Instytut Paula Scherrera
ILL
Instytut Laue-Langevina
Grenoble, Francja
BENSC
Instytut Hahna-Meittner
Berlin, Niemcy
FRG-1
GKSS
Geesthacht k/Hamburga,
Niemcy
FRJ-2
Forschungszentrum
Jülich, Niemcy
FRM-II
Politechnika w
Monachium
Garching k/Monachium,
Niemcy
LLB
CEA/CNRS
Gif-sur-Yvette, Francja
FLNP
Zjednoczony Instytut
Badań Jądrowych
Dubna, Rosja
BNC
Centrum Badawcze
Budapeszt, Węgry
RID
Politechnika w Delft
Delft, Holandia
JEEP-II
Instytut
Technologii
Energetycznych
Kjeller, Norwegia
NPL-NRI
Instytut Fizyki Jądrowej
Czeskiej Akademii Nauk
Rez k/Pragi,
Czechy
Villigen, Szwajcaria
Typ reaktora/strumień
neutronów [n/cm2·s]
źródło spallacyjne
Czynny
od
źródło spallacyjne
reaktor basenowy,
58 MW/1015
reaktor basenowy,
10 MW/1014<n<1015
reaktor basenowy,
5 MW/1014<n<1015
DIDO (ciężkowodny)
23 MW/1014<n<1015
ciężkowodny reaktor
20 MW/1014<n<1015
ciężkowodny reaktor
14 MW/1014<n<1015
reaktor impulsowy,
impuls 1500 MW/≤1014
reaktor basenowy,
10 MW/≤1014
reaktor basenowy,
2 MW/≤1014
2 ciężkowodne reaktory
Halden 18-25 MW
Kjeller 2 MW
/≤1014
reaktor basenowy
10 MW/≤1014
1996 r.
1985 r.
1971 r.
1992 r.
1958 r.
1962 r.
1990-95 r.
2004 r
1980 r.
1984 r.
1992 r.
1963 r.
Halden
1959 r.
Kjeller
1967 r
Rys. 7. Stanowisko NEUTRA (Neutron Transmission Radiography) w Instytucie Paula Scherrera,
Szwajcaria (strumień neutronów termicznych 25 meV wynosi 3·106 - 2·107 n/cm2s, L/D 250-550,
średnica wiązki 40 cm) [2]
8
Źródła promieniotwórcze, których stosowanie w radiografii neutronowej jest ograniczone ze
względu na niski strumień neutronów a także istotne tło promieniowania gamma, dają z kolei
możliwość wykonywania badań w terenie. Bardzo atrakcyjnym źródłem wydawał się być
sztuczny pierwiastek transuranowy kaliforn
252
Cf ulegający samorzutnemu rozszczepieniu. 1
12
gram tego źródła emituje 2,34 ·10 neutronów na sekundę o ciągłym widmie energii (średnio
2,3 MeV). Niestety kaliforn
252
Cf jest wytwarzany tylko w dwóch miejscach na świecie:
amerykańskim laboratorium Oak Ridge National Laboratory (Oak Ridge – Tennesssee) oraz
rosyjskim Instytucie Budowy Reaktorów Atomowych w Dimitrowgradzie i jest bardzo drogi.
Tabela 3. Radioizotopy stosowane w radiografii neutronami termicznymi [10]
Typ reakcji
Okres
półrozpadu
124
(γ,n)
60 dni
210
Po-Be
(α,n)
138 dni
Am-Be
(α,n)
458 lat
(α,n)
163 dni
samorzutne
rozszczepienie
2,65 lat
Źródło
Sb-Be
241
241
242
Am- Cm-Be
252
Cf
Uwagi
krótki okres półrozpadu, wysokie tło
promieniowania γ
krótki okres półrozpadu, niskie tło
promieniowania γ
długi okres półrozpadu
krótki okres półrozpadu, duży strumień
neutronów
długi okres półrozpadu, małe wymiary i
niska energia ułatwiają spowalnianie
4. Metody rejestracji obrazu
Do detekcji neutronów (termicznych lub zimnych) wykorzystuje się głównie
następujące reakcje jądrowe:
3
6
10
He + 1n → 3H + 1p + 0,77 MeV
Li + 1n → 3H + 4He + 4,79 MeV
B + 1n →7Li* + 4He + 2,30 MeV → 7Li + 4He γ(0,48 MeV)
155
Gd + 1n →
157
Gd + 1n →
115
156
Gd + γ + ekw 6 (7,9 MeV)
158
Gd + γ + ekw (8,5 MeV)
1
In + n →
116
116
164
Dy + 1n →
In + γ
In →
165
165
117
Sn + β + γ
Dy + γ
Dy →
166
Ho + β
Warto zauważyć, iż zastosowanie materiałów rozszczepialnych (235U,
239
Pu) do detekcji
neutronów nie znalazło wykorzystania. Przegląd wszystkich detektorów neutronów
stosowanych w radiografii oraz radioskopii i tomografii neutronowej przedstawiono na rys. 8.
6
ekw – elektrony konwersji wewnętrznej
9
rozdzielczość przestrzenna [mm]
10
1,0
Kamera czasu
rzeczywistego
(ze wzmacniaczem)
Kamera CCD
panel na bazie amorficznego Si
0,1
błona
radiograficzna
płyty obrazowe
0,01
0,001
0,0001
folie śladowe
0,001
0,01
0,1
1
10
rozdzielczość czasowa [s]
100
1000
10 000
100 000
Rys. 8. Stosowane w praktyce detektory w radiografii, radioskopii i tomografii neutronowej [2]
W dalszym przeglądzie ograniczymy się do błon radiograficznych jako detektorów
neutronów. W przeciwieństwie do promieniowania rentgenowskiego czy gamma, neutrony
nie powodują bezpośrednio zaczernienia emulsji fotograficznej w błonie radiograficznej.
Dlatego też detektorami promieniowania w neutronografii są błony radiograficzne stosowane
łącznie ze specjalnymi okładkami przetwornikowymi. Na okładki przetwornikowe stosuje się
materiały, w których pod wpływem neutronów termicznych mogą zachodzić reakcje jądrowe,
w wyniku, których emitowane jest promieniowanie alfa, beta i gamma.
Stosowane są dwie techniki rejestracji obrazu: metoda bezpośrednia oraz metoda
pośrednia. Metoda bezpośrednia polega na umieszczeniu w strumieniu neutronów błony
radiograficznej wraz z okładką przetwornikową (np. Gd o grubości 25 μm 7 ); całość
umieszczona musi być w kasecie próżniowej. Gadolin wskutek oddziaływania z neutronami
emituje elektrony o energii 70 keV. Wymagany strumień neutronów dla metody
bezpośredniej wynosi 1-2·109 n/cm2·s.
Metoda pośrednia polega na tym, iż w strumieniu neutronów umieszcza się samą
okładkę przetwornikową, na której wskutek procesu aktywacji powstaje obraz utajony,
przeniesiony później na błonę radiograficzną na drodze autoradiografii. Na okładki
przetwornikowe w tym przypadku stosuje się takie metale jak ind
115
In (T1/2 = 54 min),
dysproz 164Dy (T1/2 = 2,33 h), złoto 198Au (T1/2 = 2,7 dnia 8 ) i in. Wymagany jest tutaj większy
strumień neutronów niż w przypadku metody bezpośredniej, a to z powodu mniejszego
współczynnika absorpcji neutronów dla tych materiałów.
7
25 μm Gd stanowi pokrycie na podłożu aluminiowym o grubości 3-4 mm; sam gadolin jest zabezpieczony
przed korozją warstwą 1 nm z szafiru
8
Złoto nie jest zalecane ze względu na stosunkowo długi czas połowicznego rozpadu.
10
Rys. 9. Detektory neutronów stosowane w radiografii: a) kaseta próżniowa z przetwornikiem z Gd, b) kamera
CCD współpracująca z scyntylatorem czułym na neutrony(Li-6), c) folie śladowe wykorzystujące wychwyt
neutronów przez B-10, d) płyta obrazowa z amorficznego krzemu [2]
Metoda bezpośrednia, jakkolwiek znacznie prostsza, jest możliwa do stosowania tylko
w przypadku, gdy moc dawki ekspozycyjnej promieniowania gamma występującej w
strumieniu neutronów bądź w badanym obiekcie jest co najmniej dwukrotnie mniejsza niż
moc dawki ekspozycyjnej wtórnego promieniowania z okładki przetwornikowej w czasie
ekspozycji neutronow. W pozostałych przypadkach należy stosować metodę pośrednią, która
umożliwia
także
badanie
elementów
o
podwyższonych
temperaturach
lub
promieniotwórczych. W przypadku metody pośredniej oprócz czasu ekspozycji mamy
również do czynienia z tzw. czasem przeniesienia obrazu, tj. czasem niezbędnym do
naświetlenia błony radiograficznej przez przetwornik. Zwykle czas przeniesienia obrazu jest
równy trzem okresom połowicznego rozpadu promieniotwórczego nuklidu przetwornika.
Błony radiograficzne stosowane w radiografii neutronowej to błony z jednostronnym
pokryciem emulsją fotograficzną. Kasety do radiografii neutronowej w przypadku stosowania
techniki bezpośredniej to kasety próżniowe wykonane z aluminium lub magnezu, które to
materiały są „przeźroczyste” dla neutronów. Istotne jest też to, aby w materiale kasety nie
11
wytwarzało się wtórne promieniowanie wskutek oddziaływania neutronów. Typowe kasety
radiograficzne nie mogą być stosowane, z uwagi na materiał – plastyk, tak też uszczelnienia
w kasetach metalowych nie mogą być wykonane z tworzyw sztucznych. W przypadku
stosowania techniki pośredniej materiał kasety nie jest tak krytyczny, bowiem nie
oddziaływują na niego neutrony – stąd też mogą być stosowane typowe kasety radiograficzne.
5. Czynniki wpływające na jakość obrazu radiograficznego
Na jakość obrazu radiograficznego w neutronografii wpływa wiele czynników.
Najważniejsze z nich to:
- widmo energetyczne neutronów,
- warunki geometryczne (jakość i wymiary wiązki promieniowania),
- rodzaj i grubość badanego materiału,
- promieniowanie tła (głównie promieniowanie gamma),
- metoda rejestracji.
Parametr D/L, który jest bardzo istotny w badaniach metodą radiografii neutronowej,
jest bowiem miarą rozdzielczości obrazu winien być jak najmniejszy (a więc L/D jak
największy). Normy określają sposób pomiaru parametru L/D [10, 11]. Należy pamiętać, iż
zastosowanie kolimatora o większym stosunku L/D zmniejsza wprawdzie nieostrość
geometryczną obrazu, ale zwiększa czas ekspozycji, bowiem maleje strumień neutronów.
Typowe czasy ekspozycji w radiografii neutronowej to kilka do kilkudziesięciu minut.
Podobnie jak w radiografii X czy gamma, błona radiograficzna wraz z okładką
przetwornikową (metoda bezpośrednia), bądź sama okładka przetwornikowa (metoda
pośrednia) powinny być umieszczone bezpośrednio za badanym obiektem.
Rodzaj badanego obiektu ma wpływ na jakość obrazu radiograficznego. Jeżeli zawiera
on wodór lub inne lekkie pierwiastki, to występuje silne rozpraszanie neutronów w tym
materiale. Stąd też radiografia neutronowa jest przydatna do badania wtrąceń różnych
pierwiastków w metalach, jak np. wodorków albo boru w cyrkonie, boru w aluminium czy
uranie itp. Metodą tą określa się również stopień dyfuzji w różnych materiałach, jak np. boru
w krzemie albo w germanie oraz wodoru w tytanie. Do radiografii elementów stalowych
metoda ta jest nieprzydatna ze względu na niewielki stosunek neutronów rozproszonych do
neutronów nierozproszonych.
Dla oceny jakości radiogramów wykonanych przy pomocy neutronów stosowane są
odpowiednie wskaźniki jakości obrazu ujęte normą ASTM E 545 [12]. Norma ta przewiduje
dwa rodzaje wskaźników;
12
- wskaźnik czystości wiązki (Beam Purity Indicator - BPI) wykonany w formie bloku z
politetrafluoroetylenu i zawierający dwa krążki z azotku boru dwa krążki z ołowiu oraz pręcik
kadmowy o średnicy 0,7 mm,
- wskaźnik czułości (Sensitivity Indicator - SI) zawierający cztery schodki wykonane z
tworzywa sztucznego odpowiednimi otworkami oraz szczelinami.
Szczegóły dotyczące konstrukcji tych wskaźników ujęte są w normach ASTM E 2003 [14]
oraz ASTM E 2023 [17].
Podczas badań metodą radiografii neutronowej należy mieć na uwadze możliwość
aktywacji neutronowej zarówno w badanym obiekcie jak i kasetach. Wskutek wychwytu
neutronów niektóre materiały mogą stać się promieniotwórcze. Należy więc monitorować
poziom promieniowania, np. kasety które są w częstym użyciu, same mogą być
promieniotwórcze, stąd też należy trzymać je z dala od nie naświetlonych błon. Okładki
przetwornikowe stosowane w technice bezpośredniej (gadolin) charakteryzują się niską
aktywacją i nie stwarzają specjalnych problemów. Natomiast okładki przetwornikowe
stosowane w technice pośredniej muszą być odpowiednio dobrane pod kątem aktywacji. Są
one bowiem promieniotwórcze przez dłuższy czas, stąd też obchodzenie się z nimi wymaga
szczególnej uwagi, np. stosowania rękawic, szczypiec i in.
6. Zastosowania radiografii neutronowej
Główne zastosowania radiografii neutronowej można pogrupować następująco:
- badania materiałów o niskiej gęstości osłoniętych materiałami o wysokiej gęstości (np.
narkotyki, materiały wybuchowe, ciecze, korozja w metalach, kontrola uszczelnień, kontrola
warstw klejowych w strukturach typu plaster miodu i in.),
- badania materiałów o podobnej gęstości (np. luty twarde na bazie kadmu czy srebra,
migracja materiałów w stałych układach elektronicznych, migracja elektrolitu w bateriach,
absorpcja wilgoci w betonie i in.),
- rozróżnianie pomiędzy izotopami tego samego pierwiastka (np. koncentracja
pastylkach paliwa jądrowego, wykrywanie izotopu kadmu
113
235
Ui
238
Uw
Cd, dyfuzja pomiędzy zwykłą i
ciężka wodą i in.),
- badania materiałów wysoko promieniotwórczych (np. źródła promieniotwórcze gamma w
zamknięte w szczelnej obudowie i in).
Radiografia neutronowa znalazła zastosowanie w przemyśle lotniczym i rakietowym,
np. do badania elementów konstrukcyjnych samolotów o budowie typu „plaster miodu”, do
badania zaworów pojazdów kosmicznych, do badania elementów wieloskładnikowych, mas
13
plastycznych oraz materiałów organicznych. Spośród innych zastosowań technicznych
radiografii neutronowej należy wymienić wykrywanie chłodziw organicznych oraz osadów
organicznych w rurociągach i zbiornikach metalowych.
Lit, który ze względu na małą gęstość jest dość szeroko stosowany m.in. w produkcji
baterii, charakteryzuje się także najwyższym współczynnikiem osłabienia neutronów zimnych
– 11,7 cm-1. Stąd też baterie litowe są interesującym obiektem badań w radiografii
neutronowej, np. do badania stopnia rozładowania baterii litowo-jonowych używanych w
stymulatorach serca.
Inna ciekawa możliwość zastosowania radiografii neutronowej wynika z faktu, iż
poszczególne izotopy tego samego pierwiastka wykazują zróżnicowane współczynniki
pochłaniania neutronów. Umożliwia to określenie stężeń poszczególnych izotopów w
elementach wieloizotopowych. Metoda ta znalazła szersze zastosowanie, np. do kontroli
elementów paliwowych reaktorów jądrowych wykonywanych z uranu wzbogaconego w
izotop
235
U. Ponadto cenną zaletą radiografii neutronowej jest także możliwość badania
elementów zawierających substancje promieniotwórcze jak np. wspomnianych już prętów
paliwowych do reaktorów jądrowych.
Z kolei metoda radioskopii neutronowej umożliwia badanie zjawisk dynamicznych, m.in.:
- badanie smarowania olejem w silnikach, przekładniach,
- zachowanie się paliwa w gaźnikach, pompach wtryskowych,
- badanie przepływów dwufazowych w wymiennikach ciepła, wytwornicach pary,
- ruch cieczy w materiałach porowatych (nawilżanie gleby, migracja zanieczyszczeń).
Rys. 10. Pompa wtryskowa do silnika Diesla oraz jej radiogram neutronowy [7]
14
Rys. 11. Radiogram neutronowy twardego dysku [7]
Rys. 12. Radiogram neutronowy systemu optycznego soczewek w aparacie fotograficznym [2]
Rys 13. Radiogram neutronowy małego silnika krokowego z widoczną cewką plastikową [4]
15
Rys. 14. Radiogram neutronowy generatora częstotliwości [2]
Rys. 15. Radiogram neutronowy opróżnionego boilera [2]
Rys 16. Radiogram neutronowy paliwa jądrowego w koszulce [2]
Rys. 17. Radiogram neutronowy pompy próżniowej [2]
Rys. 18. Radiogram neutronowy ceramicznej lampy rentgenowskiej [2]
16
Rys. 19. Radiogram neutronowy stopu aluminium z borem (stop stosowany w przemyśle jądrowym) [2]
Rys. 20. Radiogram neutronowy struktury typu plaster miodu (stosowany przemyśle lotniczym) [2]
Rys.21. Radiogram neutronowy (góra) i rentgenogram (dół) łopatki turbiny [3]
Rys. 22. Radiogram neutronowy (lewy) i rentgenogram (prawy) mocowania przy użyciu szybkozłączki [3]
17
Rys. 23. Radiogram neutronowy pocisków przedstawiający rozkład ziaren [2]
Rys. 24. Radiogram neutronowy drewnianej marionetka zawierająca kilka „córek” [2]
Rys. 25. Przygotowanie do badań metodą radiografii oraz tomografii neutronowej kręgów szyjnych
dinozaura (Diplodocus: 30 m długi,4 m wysoki, masa 12 ton) w Paul Scherrer Institute, Villingen, Szwajcaria
[6]
Rys. 26. Komputerowa (CT) oraz neutronowa radiografia (NT) kręgów szyjnych Diplodocusa [6]
18
Rys. 27. Radiografia neutronowa jako dziedzina sztuki [3]
Rys. 28. Obraz „Armida uprowadzająca śpiącego Rinaldo” (~1637 r.) Nicolasa Poussina (1594-1665)
badany metodą autoradiografii neutronowej [6]
7. Zakończenie
Radiografia neutronowa rozwija się obecnie dość intensywnie, o czym może
świadczyć fakt ukazywania się rocznie 50-100 publikacji na jej temat, jak również
odbywające się co dwa lata światowe konferencje n/t radiografii neutronowej (The World
Conferences on Neutron Radiography i International Topical Meetings on Neutron
Radiography). W październiku tego roku będzie miała miejsce w Stanach Zjednoczonych
(Gaithersburg) ósma już konferencja. W ramach Unii Europejskiej realizowane są
19
międzynarodowe projekty badawcze dotyczące radiografii neutronowej jak np. COST-524
„Neutron radiography for the detection of defects in materials” [8]. W programie tym
uczestniczy 11 państw z UE a także Rosja oraz Szwajcaria.
W 1996 r. powołano do życia Międzynarodowe Stowarzyszenie Radiologii
Neutronowej (International Society for Neutron Radiology – ISNR) [9].
Powstają na świecie specjalistyczne firmy specjalizujące się kompleksowo radiografią
neutronową (badania, szkolenia, doradztwo, wyposażenie) jak np. kanadyjska firma Nray
Services Inc. [3] powstała w 1994 r. z wydzielenia się z Atomic Energy of Canada Limited
(AECL).
8. Literatura
1. Postępy Techniki Jądrowej 4/99 Państwowa Agencja Atomistyki
2. http://neutra.web.psi.ch/
3. http://www.nray.com/
4. http://poeth.com/NDT.htm
5. http://mnrc.ucdavis.edu/radiography.html
6. http://www.physik.uni-kiel.de/kfn/
7. http://www.physik.tu-muenchen.de/antares/first_neutrons/first_neutrons.html
8. http://ue.eu.int/ueDocs/cms_Data/docs/dynadoc/out/cost/EN/COST_AT_524.PDF
9. http://www.isnr.de/home.php
10. ISO 12721: 2000 Non-destructive testing – Thermal neutron radiographic testing – Detremination of beam
L/D ratio.
11. ASTM E 803 – 91 (2002) Standard Test Method for Determining the L/D Ratio of Neutron Radiography
Beams
12. ASTM E 545 – 2005 Standard Method for Determining Image Quality in Direct Thermal Neutron
Radiographic Testing
13. ASTM E 748 - 2002 Standard Practices for Thermal Neutron Radiography of Materials
14. ASTM E 1316 – 2006 Standard Terminology for Nondestructive Examinations
15. ASTM E 2003 – 98 (2004) Standard Practice for Fabrication of Neutron Radiographic Beam Purity
Indicators
16. ASTM E 1496 – 2005 Standard Test Method for Neutron Radiographic Dimensional Measurements
17. ASTM E 2023 – 99 (2004) Standard Practice for Fabrication of Neutron Radiographic Sensitivity Indicators
20