Нейтронная визуализация

В этой статье есть несколько проблем. Помогите улучшить ее или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти сообщения ) Для проверки данной статьи необходимы дополнительные цитаты .Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив ссылки на надежные источники . Неподтвержденный материал может быть оспорен и удален. Найти источники:  "Нейтронная визуализация" – новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( Май 2016 )( Узнайте, как и когда удалить это сообщение ) В этой статье отсутствует информация о медицинских приложениях, особенно об исследованиях в области медицинских приложений.Пожалуйста, расширьте статью, включив эту информацию. Дополнительные сведения могут быть на странице обсуждения . ( октябрь 2014 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить это сообщение )

Нейтронная визуализация — это процесс создания изображения с помощью нейтронов . Полученное изображение основано на свойствах ослабления нейтронов изображаемого объекта. Полученные изображения имеют много общего с промышленными рентгеновскими изображениями, но поскольку изображение основано на свойствах ослабления нейтронов, а не на свойствах ослабления рентгеновских лучей, некоторые вещи, легко видимые с помощью нейтронной визуализации, могут быть очень сложными или невозможными для наблюдения с помощью методов рентгеновской визуализации (и наоборот).

Рентгеновские лучи ослабляются в зависимости от плотности материала. Более плотные материалы будут останавливать больше рентгеновских лучей. Что касается нейтронов, вероятность ослабления нейтронов материалом не связана с его плотностью. Некоторые легкие материалы, такие как бор, поглощают нейтроны, в то время как водород , как правило, рассеивает нейтроны, а многие обычно используемые металлы пропускают большинство нейтронов через себя. Это может сделать нейтронную визуализацию более подходящей во многих случаях, чем рентгеновскую визуализацию; например, при рассмотрении положения и целостности уплотнительного кольца внутри металлических компонентов, таких как сегментные соединения твердотопливного ракетного ускорителя .

Нейтрон был открыт Джеймсом Чедвиком в 1932 году. Первая демонстрация нейтронной радиографии была проведена Хартмутом Каллманном и Э. Куном в конце 1930-х годов. Они обнаружили, что при бомбардировке нейтронами некоторые материалы испускают излучение , которое может экспонировать пленку . Открытие оставалось диковинкой до 1946 года, когда Петерс сделал рентгенограммы низкого качества. Первые нейтронные рентгенограммы приемлемого качества были сделаны Дж. Тьюлисом (Великобритания) в 1955 году.

Около 1960 года Гарольд Бергер (США) и Джон П. Бартон (Великобритания) начали оценивать нейтроны для исследования облученного реакторного топлива. Впоследствии был разработан ряд исследовательских установок. Первые коммерческие установки были введены в эксплуатацию в конце 1960-х годов, в основном в Соединенных Штатах и ​​Франции, а затем и в других странах, включая Канаду, Японию, Южную Африку , Германию и Швейцарию.

Для получения нейтронного изображения требуются источник нейтронов, коллиматор для формирования испускаемых нейтронов в достаточно однонаправленный пучок, объект, изображение которого необходимо получить, и некий метод регистрации изображения.

Обычно источником нейтронов является исследовательский реактор [ ^{1] [2]} , где доступно большое количество нейтронов на единицу площади (поток). Были завершены некоторые работы с изотопными источниками нейтронов (в основном спонтанное деление калифорния -252 ^[3] , но также источники изотопов Am - Be и другие). Они предлагают сниженные капитальные затраты и повышенную мобильность, но за счет гораздо более низкой интенсивности нейтронов и значительно более низкого качества изображения. Кроме того, ускорительные источники нейтронов стали более доступными, включая большие ускорители с мишенями расщепления ^[4], и они могут быть подходящими источниками для нейтронной визуализации. Портативные генераторы нейтронов на основе ускорителей, использующие нейтронные реакции синтеза дейтерия -дейтерия или дейтерия- трития ^[5 ]

После того, как нейтроны произведены, их необходимо замедлить (уменьшить кинетическую энергию ) до скорости, необходимой для получения изображения. Это может быть отрезок воды, полиэтилена или графита при комнатной температуре для получения тепловых нейтронов . В замедлителе нейтроны будут сталкиваться с ядрами атомов и, таким образом, замедляться. В конечном итоге скорость этих нейтронов достигнет некоторого распределения, основанного на температуре (количестве кинетической энергии) замедлителя. Если требуются нейтроны с более высокой энергией, графитовый замедлитель можно нагреть для получения нейтронов с более высокой энергией (называемых эпитепловыми нейтронами). Для нейтронов с более низкой энергией можно использовать холодный замедлитель, такой как жидкий дейтерий , для получения нейтронов с низкой энергией (холодных нейтронов). Если замедлителя нет или его меньше, можно получить нейтроны с высокой энергией (называемые быстрыми нейтронами ). Чем выше температура замедлителя, тем выше результирующая кинетическая энергия нейтронов и тем быстрее будут двигаться нейтроны. Как правило, более быстрые нейтроны будут более проникающими, но существуют некоторые интересные отклонения от этой тенденции, которые иногда могут использоваться в нейтронной визуализации. Обычно система визуализации проектируется и настраивается для получения только одной энергии нейтронов, при этом большинство систем визуализации производят тепловые или холодные нейтроны.

В некоторых ситуациях может быть желателен выбор только определенной энергии нейтронов. Для выделения определенной энергии нейтронов возможны рассеивание нейтронов из кристалла или измельчение нейтронного пучка для разделения нейтронов на основе их скорости, но это обычно дает очень низкую интенсивность нейтронов и приводит к очень длительным экспозициям. Обычно это делается только для исследовательских целей.

В этом обсуждении основное внимание уделяется визуализации с помощью тепловых нейтронов, хотя большая часть этой информации применима также к визуализации холодных и эпитермальных нейтронов. Визуализация с помощью быстрых нейтронов представляет интерес для приложений внутренней безопасности, но в настоящее время она недоступна для коммерческого использования и, как правило, не описывается здесь.

В замедлителе нейтроны будут двигаться во многих разных направлениях. Для получения хорошего изображения нейтроны должны двигаться в довольно однородном направлении (обычно слегка расходящемся). Для этого апертура (отверстие, которое позволяет нейтронам проходить через него, окруженное поглощающими нейтроны материалами) ограничивает нейтроны, поступающие в коллиматор. Некоторая длина коллиматора с поглощающими нейтроны материалами (например, бором) затем поглощает нейтроны, которые не движутся по длине коллиматора в желаемом направлении. Существует компромисс между качеством изображения и временем экспозиции. Более короткая система коллимации или большая апертура дадут более интенсивный нейтронный пучок, но нейтроны будут двигаться под более широким диапазоном углов, в то время как более длинный коллиматор или меньшая апертура дадут большую однородность в направлении движения нейтронов, но будет присутствовать значительно меньше нейтронов и в результате будет большее время экспозиции.

Объект помещается в нейтронный пучок. Учитывая повышенную геометрическую нерезкость по сравнению с рентгеновскими системами, объект обычно необходимо располагать как можно ближе к устройству записи изображения.

Для обнаружения и записи нейтронных изображений обычно используются различные методы. До недавнего времени нейтронные изображения обычно записывались на рентгеновскую пленку, но теперь доступны различные цифровые методы.

Хотя существует множество различных методов записи изображений, нейтроны, как правило, нелегко измерить, и их необходимо преобразовать в какую-то другую форму излучения, которую легче обнаружить. Для выполнения этой задачи обычно используется некоторая форма экрана преобразования, хотя некоторые методы захвата изображений включают материалы преобразования непосредственно в регистратор изображений. Часто это принимает форму тонкого слоя гадолиния , очень сильного поглотителя тепловых нейтронов. 25-микрометрового слоя гадолиния достаточно для поглощения 90% тепловых нейтронов, падающих на него. В некоторых ситуациях могут использоваться другие элементы, такие как бор, индий , золото или диспрозий , или материалы, такие как сцинтилляционные экраны LiF , где экран преобразования поглощает нейтроны и излучает видимый свет.

Пленка, как правило, является формой нейтронной визуализации с наивысшим разрешением, хотя цифровые методы с идеальными настройками в последнее время достигают сопоставимых результатов. Наиболее часто используемый подход использует экран преобразования гадолиния для преобразования нейтронов в электроны высокой энергии, которые экспонируют одиночную эмульсионную рентгеновскую пленку.

Прямой метод выполняется с пленкой, присутствующей в канале пучка, поэтому нейтроны поглощаются конверсионным экраном, который немедленно испускает некоторую форму излучения, которая экспонирует пленку. Косвенный метод не имеет пленки непосредственно в канале пучка. Конверсионный экран поглощает нейтроны, но существует некоторая задержка по времени до высвобождения излучения. После записи изображения на конверсионном экране конверсионный экран приводится в тесный контакт с пленкой на определенный период времени (обычно часы), чтобы создать изображение на пленке. Косвенный метод имеет значительные преимущества при работе с радиоактивными объектами или системами формирования изображений с высоким уровнем гамма-загрязнения, в противном случае прямой метод, как правило, предпочтительнее.

Нейтронная радиография — это коммерчески доступная услуга, широко используемая в аэрокосмической промышленности для испытаний лопаток турбин авиационных двигателей, компонентов для космических программ, высоконадежных взрывчатых веществ и, в меньшей степени, в других отраслях для выявления проблем в ходе циклов разработки продукции.

Нейтроны могут быть преобразованы в ионы , которые проходят через ядерный трековый детектор, сделанный из пластика, такого как целлюлоза или CR-39 . Ионы создают следы химического повреждения, называемые ионными треками . Затем кислотная ванна используется для травления пластика, расширяя треки до отверстий, которые видны под микроскопом. ^{[6] [7]} Также возможно использовать ядерные трековые детекторы для обнаружения нейтронов без конверсионного экрана, поскольку нейтроны могут рассеивать ядра в самом пластике. ^[8]

Существует несколько процессов получения цифровых нейтронных изображений с тепловыми нейтронами, которые имеют различные преимущества и недостатки. Эти методы получения изображений широко используются в академических кругах, отчасти потому, что они позволяют избежать необходимости в проявочных машинах и темных комнатах, а также предлагают ряд преимуществ. Кроме того, изображения на пленке можно оцифровывать с помощью трансмиссионных сканеров.

Нейтронная камера — это система формирования изображений на основе цифровой камеры или аналогичной детекторной матрицы. Нейтроны проходят через объект, который необходимо отобразить, затем сцинтилляционный экран преобразует нейтроны в видимый свет. Затем этот свет проходит через некоторую оптику (предназначенную для минимизации воздействия ионизирующего излучения на камеру), затем изображение захватывается ПЗС-камерой (существует также несколько других типов камер, включая КМОП и CID, дающие похожие результаты).

Нейтронные камеры позволяют получать изображения в реальном времени (обычно с низким разрешением), что оказалось полезным для изучения двухфазного потока жидкости в непрозрачных трубах, образования пузырьков водорода в топливных элементах и ​​движения смазки в двигателях. Эта система визуализации в сочетании с поворотным столом может делать большое количество изображений под разными углами, которые могут быть реконструированы в трехмерное изображение (нейтронная томография).

В сочетании с тонким сцинтилляционным экраном и хорошей оптикой эти системы могут создавать изображения с высоким разрешением и временем экспозиции, аналогичным времени экспозиции при съемке на пленку, хотя плоскость изображения, как правило, должна быть небольшой, учитывая количество пикселей на имеющихся чипах ПЗС-камеры.

Хотя эти системы предлагают некоторые существенные преимущества (возможность получения изображений в реальном времени, простота и относительная дешевизна для исследовательских целей, потенциально достаточно высокое разрешение, быстрый просмотр изображений), существуют и существенные недостатки, включая мертвые пиксели на камере (которые возникают из-за воздействия радиации), гамма-чувствительность сцинтилляционных экранов (создание артефактов изображения, для удаления которых обычно требуется медианная фильтрация), ограниченное поле зрения и ограниченный срок службы камер в условиях высокой радиации.

Фотостимулируемые фосфорные пластины, используемые для обнаружения рентгеновских лучей, могут использоваться в сочетании с лазерным сканером для получения нейтронных изображений, во многом подобно тому, как рентгеновские изображения производятся с помощью системы. Нейтроны все еще должны быть преобразованы в какую-то другую форму излучения, чтобы быть захваченными пластиной визуализации. В течение короткого периода времени Fuji производила чувствительные к нейтронам пластины визуализации, которые содержали преобразовательный материал в пластине и обеспечивали лучшее разрешение, чем возможно с внешним преобразующим материалом.

Пластины для визуализации предлагают процесс, который очень похож на пленочную визуализацию, но изображение записывается на многоразовую пластину для визуализации, которая считывается и очищается после визуализации. Эти системы создают только неподвижные изображения. При использовании экрана преобразования и рентгеновской пластины для визуализации требуется сопоставимое время экспозиции для создания изображения с более низким разрешением, чем пленочная визуализация. Пластины для визуализации со встроенным конверсионным материалом создают лучшие изображения, чем те, которые используют внешнее преобразование, но в настоящее время не создают изображения такого же качества, как пленка.

Плоские кремниевые детекторы — это цифровая технология, похожая на ПЗС-визуализацию. Нейтронное воздействие приводит к сокращению срока службы детекторов, что привело к тому, что другие цифровые методы стали предпочтительными подходами.

Микроканальные пластины — это новый тип цифрового детектора с очень малыми размерами пикселей. Устройство имеет небольшие (микрометровые) каналы, проходящие через него, при этом сторона источника покрыта поглощающим нейтроны материалом (обычно гадолинием или бором). Поглощающий нейтроны материал поглощает нейтроны и преобразует их в ионизирующее излучение, которое освобождает электроны. Высокое напряжение подается через устройство, в результате чего освобожденные электроны усиливаются, поскольку они ускоряются через небольшие каналы, а затем обнаруживаются массивом цифровых детекторов.

Система сканирования грузовых контейнеров с использованием быстрой нейтронной и гамма-радиографии была разработана CSIRO и опробована в Международном аэропорту Брисбена в 2005–2006 годах. Она использовала нейтронные генераторы и источник гамма-излучения для создания коллимированных пучков, при этом грузовые контейнеры проходили по цепному конвейеру через туннель, а сцинтилляционные нейтронные детекторы и детекторы гамма-излучения устанавливались в колоннах на противоположной стороне туннеля. Контейнеры проходили через устройство примерно 2 минуты. ^[9]

В отличие от рентгеновского сканирования, которое может обнаруживать металлические предметы, такие как огнестрельное оружие, но имеет проблемы с другими веществами, быстрая нейтронная и гамма-радиография чувствительна к широкому спектру материалов. Кроме того, измеряя отношения ослабления нейтронов к ослаблению гамма-излучения, можно анализировать элементный состав сканируемых веществ. ^[9]

Модернизированная версия сканера, названная AC6015XN Air Cargo Scanner и совместно разработанная Nuctech и CSIRO, была разработана и испытана в Пекине в 2009 году. AC6015XN имел меньшую площадь, другую защиту, стереоскопические двойные рентгеновские лучи (создаваемые линейным ускорителем ) вместо гамма-лучей и рентгеновские детекторы по обеим сторонам и в верхней части туннеля. Доза облучения от нейтронного излучения составляла приблизительно 8 микрозивертов (800 мкбэр) и была значительно ниже пределов, установленных для облучения пищевых продуктов в таких странах, как Соединенное Королевство и Соединенные Штаты Америки. ^[9]

• Практическое применение нейтронной радиографии и измерений; Бергер, Гарольд, ASTM