Наука - практике

Нейтронная радиография и томография: новые возможности на реакторе ИБР-2

Восприятие и анализ изображений объектов, получаемых с помощью видимого света, - неотъемлемая часть нашей повседневной жизни. А если нам что-то особенно запомнилось или понравилось - мы всегда можем сделать фотографию на память.

Для построения изображений можно использовать не только видимый свет, но и ионизирующие излучения. В этом случае можно получить информацию не только о внешнем, но и внутреннем строении объекта. Так, рентгеновское излучение используется для предполетного контроля провозимого багажа в аэропортах, диагностики переломов и разных заболеваний.

По сравнению с рентгеном, имеющим электромагнитную природу, нейтронное излучение характеризуются более глубоким проникновением в глубь исследуемого объекта, что позволяет с его помощью исследовать достаточно крупные объекты как научного, так и инженерного типа. Нейтрон - нейтральная частица и взаимодействует с ядрами элементов, из которых состоит исследуемый объект. А это дает непосредственные преимущества при исследовании материалов, одновременно содержащих легкие элементы, такие как водород или литий, и тяжелые металлы; материалов, применяемых в ядерных технологиях, а также изотопов химических элементов. Все это определяет значительный потенциал применения нейтронных методов неразрушающего контроля и анализа внутреннего строения объектов различного характера.

Общий вид установки для нейтронной радиографии и томографии (справа) и фотография детектора для регистрации нейтронных изображений (слева).

Метод нейтронной радиографии заключается в получении нейтронных изображений исследуемых объектов, где различие в нейтронных сечениях поглощения для разных элементов дает информацию о внутреннем распределении неоднородностей исследуемых материалов. Частный случай метода нейтронной радиографии - нейтронная томография, при которой выполняется объемная реконструкция внутреннего строения исследуемого объекта из набора отдельных радиографических изображений, полученных при различных угловых положениях образца относительно направления нейтронного пучка.

Первые эксперименты по получению нейтронных изображений были выполнены еще в 1935 году в Берлине Кальманом и Кюном, которые обозначили многие из основных идей нейтронной радиографии. В Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ эксперименты по нейтронной радиографии впервые были проведены В.М.Назаровым в середине 80-х годов на реакторе ИБР-2.

По сравнению с рентгеновской радиографией и томографией развитие аналогичных нейтронных методов долгое время ограничивалось сложностью получения и ограниченными возможностями для количественного анализа изображений. Однако недавнее развитие современных цифровых технологий и методов получения нейтронных изображений значительно усилило научный и общественный интерес к задачам, требующим применения методов нейтронной радиографии и томографии, что привело к созданию специализированных установок во многих крупных нейтронных центрах.

У нас в Дубне с 2012 года возобновил регулярную работу модернизированный реактор ИБР-2, который не уступает по характеристикам зарубежным источникам нейтронов. С учетом важности нейтронных методов неразрушающего контроля и интроскопии на канале №14 реактора была создана экспериментальная установка для исследований с помощью методов нейтронной радиографии и томографии.

Составной вакуумированный коллиматор формирует выходной нейтронный пучок с размерами 20х20 см², что открывает широкие возможности для исследования достаточно крупных объектов в интересах различных областей науки и техники. Для регистрации нейтронов служит детектор на основе пластины сцинтиллятора, которая конвертирует нейтронное излучение в видимый свет. А уже оптическое изображение регистрируется высокочувствительной видеокамерой на основе CCD матрицы с размером одного пикселя 9 мкм. Минимальный размер неоднородности, который можно "увидеть" с помощью этого детектора, - около 0,2 мм, а время одного такого эксперимента не превышает 10 секунд. Для реконструкции трехмерной модели методом нейтронной томографии для вращения образца в нейтронном пучке служит система гониометров.

Восстановленная объемная модель внутреннего устройства замка с помощью нейтронной томографии.

На рисунке представлена восстановленная трехмерная модель металлического замка: нейтроны без видимого поглощения проходят через алюминиевую конструкцию замка, но довольно сильно поглощаются в его стальных конструкциях. И мы можем наблюдать внутреннее устройство замка с субмиллиметровым пространственным разрешением, не разбирая его!

Восстановленная трехмерная модель распределения железоникелевого сплава в метеорите Сеймчан с помощью нейтронной томографии. Также представлена реальная фотография метеорита.

Большие возможности открывают методы нейтронной радиографии и томографии в геофизических и астрофизических исследованиях. На рисунке представлена трехмерная модель распределения железоникелевого сплава в железокаменном метеорите Сеймчан, обнаруженном в 1967 году. Нейтроны почти не поглощаются минералом оливином (желтые вкрапления), но зато сильно поглощаются железоникелевым сплавом. Нейтронная томография позволила восстановить объемный металлический "каркас" метеорита, не разрушая столь ценный объект исследования.

Команда исследователей, занятых в реализации проекта экспериментальной установки по нейтронной радиографии и томографии, не намерена останавливаться на достигнутом. Так, известно, что сечение поглощения нейтрона в кристаллических материалах имеет сильные скачки при определенных длинах волн, поэтому, используя вариацию энергии нейтронов в эксперименте, можно усиливать контраст составляющих частей объекта из определенного материала для их более точного анализа. Планируется варьировать энергию падающих на образец нейтронов с помощью времяпролетной методики, что значительно расширит возможности исследований. Кроме этого, предполагается проведение исследований множества интересных объектов из различных сфер наук: палеонтологических, инженерных, минералогических, геофизических.

С. КИЧАНОВ, Д. КОЗЛЕНКО