Grzegorz Jezierski
Transkrypt
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