Imágenes de neutrones - Neutron imaging
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La formación de imágenes de neutrones es el proceso de crear una imagen con neutrones . La imagen resultante se basa en las propiedades de atenuación de neutrones del objeto de la imagen. Las imágenes resultantes tienen mucho en común con las imágenes de rayos X industriales , pero dado que la imagen se basa en propiedades de atenuación de neutrones en lugar de propiedades de atenuación de rayos X, algunas cosas fácilmente visibles con imágenes de neutrones pueden ser muy difíciles o imposibles de ver con X- técnicas de formación de imágenes de rayos (y viceversa).
Los rayos X se atenúan según la densidad de un material. Los materiales más densos detendrán más rayos X. Con los neutrones, la probabilidad de que un material atenúe los neutrones no está relacionada con su densidad. Algunos materiales ligeros como el boro absorberán neutrones, mientras que el hidrógeno generalmente los dispersará, y muchos metales de uso común permiten que la mayoría de los neutrones pasen a través de ellos. Esto puede hacer que las imágenes de neutrones sean más adecuadas en muchos casos que las imágenes de rayos X; por ejemplo, mirando la posición e integridad de la junta tórica dentro de los componentes metálicos, como las juntas de los segmentos de un cohete reforzador sólido .
Historia
El neutrón fue descubierto por James Chadwick en 1932. La primera demostración de radiografía de neutrones la hicieron Hartmut Kallmann y E. Kuhn a finales de los años treinta; descubrieron que al ser bombardeados con neutrones, algunos materiales emitían radiación que podía exponer la película . El descubrimiento siguió siendo una curiosidad hasta 1946, cuando Peters realizó radiografías de baja calidad. Las primeras radiografías de neutrones de calidad razonable fueron realizadas por J. Thewlis (Reino Unido) en 1955.
Alrededor de 1960, Harold Berger ( EE . UU. ) Y John P. Barton (Reino Unido) comenzaron a evaluar neutrones para investigar el combustible irradiado del reactor. Posteriormente, se desarrollaron varias instalaciones de investigación. Las primeras instalaciones comerciales se pusieron en funcionamiento a finales de los sesenta, principalmente en Estados Unidos y Francia, y finalmente en muchos otros países, incluidos Canadá, Japón, Sudáfrica , Alemania y Suiza.
Proceso
Para producir una imagen de neutrones, se requiere una fuente de neutrones, un colimador para dar forma a los neutrones emitidos en un haz bastante unidireccional, un objeto para ser captado y algún método para registrar la imagen.
Fuentes de neutrones
Generalmente, la fuente de neutrones es un reactor de investigación , donde está disponible una gran cantidad de neutrones por unidad de área (flujo). Se han completado algunos trabajos con fuentes isotópicas de neutrones ( fisión en gran parte espontánea de Californio-252 , pero también fuentes isotópicas Am - Be y otras). Estos ofrecen menores costos de capital y mayor movilidad, pero a expensas de intensidades de neutrones mucho más bajas y una calidad de imagen significativamente menor. Además, ha aumentado la disponibilidad de las fuentes de neutrones de aceleradores, incluidos los grandes aceleradores con objetivos de espalación , que pueden ser fuentes adecuadas para la obtención de imágenes de neutrones. Generadores de neutrones portátiles basados en aceleradores que utilizan el neutrón que produce reacciones de fusión de deuterio -deuterio o deuterio- tritio .
Moderación
Una vez producidos los neutrones, es necesario ralentizarlos (disminución de la energía cinética ) a la velocidad deseada para la obtención de imágenes. Esto puede tomar la forma de un trozo de agua, polietileno o grafito a temperatura ambiente para producir neutrones térmicos . En el moderador, los neutrones chocarán con el núcleo de los átomos y, por lo tanto, se ralentizarán. Eventualmente, la velocidad de estos neutrones logrará alguna distribución basada en la temperatura (cantidad de energía cinética) del moderador. Si se desean neutrones de mayor energía, se puede calentar un moderador de grafito para producir neutrones de mayor energía (denominados neutrones epitermales). Para neutrones de baja energía , se puede utilizar un moderador frío como el deuterio líquido (un isótopo del hidrógeno ) para producir neutrones de baja energía (neutrón frío). Si no hay moderador o hay menos presente , se pueden producir neutrones de alta energía (denominados neutrones rápidos ). Cuanto mayor sea la temperatura del moderador, mayor será la energía cinética resultante de los neutrones y más rápido viajarán los neutrones. Generalmente, los neutrones más rápidos serán más penetrantes, pero existen algunas desviaciones interesantes de esta tendencia y, a veces, pueden utilizarse en la formación de imágenes de neutrones. Generalmente, un sistema de imágenes está diseñado y configurado para producir solo una energía de neutrones, y la mayoría de los sistemas de imágenes producen neutrones térmicos o fríos.
En algunas situaciones, se puede desear la selección de solo una energía específica de neutrones. Para aislar una energía específica de neutrones, la dispersión de neutrones de un cristal o cortar el haz de neutrones para separar neutrones en función de su velocidad son opciones, pero esto generalmente produce intensidades de neutrones muy bajas y conduce a exposiciones muy largas. Generalmente esto solo se lleva a cabo para aplicaciones de investigación.
Esta discusión se centra en las imágenes de neutrones térmicos, aunque gran parte de esta información se aplica también a las imágenes frías y epitermales. La formación de imágenes de neutrones rápidos es un área de interés para las aplicaciones de seguridad nacional, pero actualmente no está disponible comercialmente y, por lo general, no se describe aquí.
Colimación
En el moderador, los neutrones viajarán en muchas direcciones diferentes. Para producir una buena imagen, los neutrones deben viajar en una dirección bastante uniforme (generalmente ligeramente divergente). Para lograr esto, una abertura (una abertura que permitirá que los neutrones pasen a través de ella rodeada de materiales absorbentes de neutrones) limita la entrada de neutrones al colimador. Una parte del colimador con materiales de absorción de neutrones (por ejemplo, boro ) absorbe neutrones que no viajan a lo largo del colimador en la dirección deseada. Existe una compensación entre la calidad de la imagen y el tiempo de exposición. Un sistema de colimación más corto o una apertura más grande producirán un haz de neutrones más intenso, pero los neutrones viajarán en una variedad más amplia de ángulos, mientras que un colimador más largo o una apertura más pequeña producirán más uniformidad en la dirección de viaje de los neutrones, pero significativamente. habrá menos neutrones presentes y resultará en un tiempo de exposición más largo.
Objeto
El objeto se coloca en el haz de neutrones. Dado el aumento de la falta de nitidez geométrica de los que se encuentran con los sistemas de rayos X, el objeto generalmente debe colocarse lo más cerca posible del dispositivo de grabación de imágenes.
Conversión
Aunque existen numerosos métodos diferentes de grabación de imágenes, los neutrones generalmente no se miden fácilmente y deben convertirse en alguna otra forma de radiación que se detecte más fácilmente. Generalmente se emplea alguna forma de pantalla de conversión para realizar esta tarea, aunque algunos métodos de captura de imágenes incorporan materiales de conversión directamente en el registrador de imágenes. A menudo, esto toma la forma de una fina capa de gadolinio, un absorbente muy fuerte de neutrones térmicos. Una capa de gadolinio de 25 micrómetros es suficiente para absorber el 90% de los neutrones térmicos que inciden sobre ella. En algunas situaciones, se pueden usar otros elementos como boro , indio , oro o disprosio o materiales como pantallas de centelleo LiF donde la pantalla de conversión absorbe neutrones y emite luz visible.
Grabación de imágenes
Comúnmente se emplean una variedad de métodos para producir imágenes con neutrones. Hasta hace poco, las imágenes de neutrones se registraban generalmente en películas de rayos X, pero ahora se dispone de una variedad de métodos digitales.
Radiografía de neutrones (película)
La radiografía de neutrones es el proceso de producir una imagen de neutrones que se graba en una película. Esta es generalmente la forma de imágenes de neutrones de mayor resolución, aunque los métodos digitales con configuraciones ideales están logrando resultados comparables recientemente. El enfoque utilizado con más frecuencia utiliza una pantalla de conversión de gadolinio para convertir neutrones en electrones de alta energía, que exponen una sola película de rayos X en emulsión.
El método directo se realiza con la película presente en la línea de luz, por lo que los neutrones son absorbidos por la pantalla de conversión que emite rápidamente alguna forma de radiación que expone la película. El método indirecto no tiene una película directamente en la línea de luz. La pantalla de conversión absorbe neutrones, pero existe cierto retraso antes de la liberación de radiación. Después de grabar la imagen en la pantalla de conversión, la pantalla de conversión se pone en estrecho contacto con una película durante un período de tiempo (generalmente horas), para producir una imagen en la película. El método indirecto tiene ventajas significativas cuando se trata de objetos radiactivos o sistemas de formación de imágenes con alta contaminación gamma; de lo contrario, generalmente se prefiere el método directo.
La radiografía de neutrones es un servicio disponible comercialmente, ampliamente utilizado en la industria aeroespacial para la prueba de palas de turbinas para motores de aviones, componentes para programas espaciales, explosivos de alta confiabilidad y, en menor medida, en otras industrias para identificar problemas durante los ciclos de desarrollo de productos.
El término "radiografía de neutrones" a menudo se aplica incorrectamente para referirse a todos los métodos de formación de imágenes de neutrones.
Grabado de seguimiento
Track etch es un método en gran parte obsoleto. Una pantalla de conversión convierte neutrones en partículas alfa que producen pistas de daño en un trozo de celulosa. Luego se usa un baño de ácido para grabar la celulosa, para producir una pieza de celulosa cuyo grosor varía con la exposición a los neutrones.
Imágenes digitales de neutrones
Existen varios procesos para tomar imágenes digitales de neutrones con neutrones térmicos que tienen diferentes ventajas y desventajas. Estos métodos de obtención de imágenes se utilizan ampliamente en los círculos académicos, en parte porque evitan la necesidad de procesadores de películas y salas oscuras, además de ofrecer una variedad de ventajas. Además, las imágenes de las películas se pueden digitalizar mediante el uso de escáneres de transmisión.
Cámara de neutrones (sistema DR)
Una cámara de neutrones es un sistema de imágenes basado en una cámara digital o una matriz de detectores similar. Los neutrones pasan a través del objeto que se va a tomar la imagen, luego una pantalla de centelleo convierte los neutrones en luz visible. Esta luz luego pasa a través de algunas ópticas (destinadas a minimizar la exposición de la cámara a la radiación ionizante), luego la imagen es capturada por la cámara CCD (también existen varios otros tipos de cámaras, incluidos CMOS y CID, que producen resultados similares).
Las cámaras de neutrones permiten imágenes en tiempo real (generalmente con baja resolución), lo que ha resultado útil para estudiar el flujo de fluido bifásico en tuberías opacas, la formación de burbujas de hidrógeno en las pilas de combustible y el movimiento del lubricante en motores. Este sistema de imágenes, junto con una mesa giratoria, puede tomar una gran cantidad de imágenes en diferentes ángulos que se pueden reconstruir en una imagen tridimensional (tomografía de neutrones).
Cuando se combinan con una pantalla de centelleo delgada y una buena óptica, estos sistemas pueden producir imágenes de alta resolución con tiempos de exposición similares a los de las películas, aunque el plano de imagen normalmente debe ser pequeño dada la cantidad de píxeles en los chips de cámara CCD disponibles.
Aunque estos sistemas ofrecen algunas ventajas significativas (la capacidad de realizar imágenes en tiempo real, simplicidad y un costo relativamente bajo para la aplicación de investigación, resolución potencialmente razonablemente alta, visualización rápida de imágenes), existen desventajas significativas, incluidos los píxeles muertos en la cámara (que resultan de la exposición a la radiación). ), la sensibilidad gamma de las pantallas de centelleo (que crean artefactos de imagen que normalmente requieren un filtrado medio para eliminarlos), el campo de visión limitado y la vida útil limitada de las cámaras en los entornos de alta radiación.
Placas de imagen (sistema CR)
Las placas de imágenes de rayos X se pueden utilizar junto con un escáner de placas para producir imágenes de neutrones de la misma forma que se producen imágenes de rayos X con el sistema. El neutrón aún debe convertirse en alguna otra forma de radiación para ser capturado por la placa de imagen. Durante un corto período de tiempo, Fuji produjo placas de imagen sensibles a los neutrones que contenían un material convertidor en la placa y ofrecían una mejor resolución de la que es posible con un material de conversión externo. Las placas de imagen ofrecen un proceso que es muy similar al de la imagen de película, pero la imagen se graba en una placa de imagen reutilizable que se lee y se borra después de la imagen. Estos sistemas solo producen imágenes fijas (estáticas). Utilizando una pantalla de conversión y una placa de imagen de rayos X , se requieren tiempos de exposición comparables para producir una imagen con una resolución más baja que la de las películas. Las placas de imagen con material de conversión incrustado producen mejores imágenes que la conversión externa, pero actualmente no producen imágenes tan buenas como la película.
Detectores de silicio de panel plano (sistema DR)
Una técnica digital similar a la imagen CCD. La exposición a neutrones conduce a una corta vida útil de los detectores, lo que ha dado lugar a que otras técnicas digitales se conviertan en enfoques preferidos.
Placas de microcanal (sistema DR)
Un método emergente que produce una matriz de detectores digitales con tamaños de píxeles muy pequeños. El dispositivo tiene canales pequeños (micrómetros) a través de él, con el lado de la fuente recubierto con un material absorbente de neutrones (generalmente gadolinio o boro ). El material absorbente de neutrones absorbe neutrones y los convierte en radiación ionizante que libera electrones. Se aplica un gran voltaje a través del dispositivo, lo que hace que los electrones liberados se amplifiquen a medida que se aceleran a través de los canales pequeños y luego son detectados por una matriz de detectores digitales.
Referencias
- Aplicaciones prácticas de la radiografía de neutrones y la medición; Berger, Harold, ASTM