Képalkotás neutronokkal: radiográfia tomográfia

Átírás

1 Korszerű Nukleáris Elemanalitikai Módszerek és Alkalmazásaik II. félév 4. előadás Képalkotás neutronokkal: radiográfia tomográfia Kis Zoltán, Szentmiklósi László MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Nukleáris Analitikai és Radiográfiai Laboratórium 1121 Budapest, Konkoly Thege Miklós u , XVII/A. ép és 205. sz. ELTE TTK,

2 Fő témakörök A. A neutronradiográfia (NR) és tomográfia (NT) elméleti alapjai B. A neutronradiográfia (NR) és tomográfia (NT) felhasználási lehetőségei C. A prompt-gamma aktivációs leképezés (PGAI) 2D és 3D elemtérképezési lehetőségei (egy későbbi előadás a félév folyamán) 2

3 Mi van a képen? virág A.1. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: Képalkotási lehetőségek neutronokkal. 5 cm gránitfal mögött 3

4 Miért szeretjük a neutronokat? VASCSŐ vizuálisan Nincs használható információ 150 kev röntgen Nem elég éles, gyenge kontraszt 1,25 MeV gamma Minden tárgy felismerhető lassú neutronok A.1. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: Képalkotási lehetőségek neutronokkal. 4

5 A képalkotási lehetőségek Miért szeretjük a neutronokat? Struktúra, elemösszetétel, ásványi és fémes fázisok roncsolásmentes vizsgálata Energiájuk függvényében más-más elemi érzékenység Mély behatolás, nincs töltése (~cm, energiafüggő) Neutronos módszerek NR/NT (2D/3D-s szerkezet) : Neutronradiográfia/tomográfia PGAA (0D-s elemanalízis) PGAI: Prompt-gamma aktivációs leképezés (3D) ND (2D-s fázisstruktúra) NDT : Neutrondiffrakciós tomográfia (3D) NRCA (0D-s elemanalízis) NRCI: Rezonancia-neutronbefogásos leképezés (3D) NRT (Rezonancia-neutrontranszmisszós leképezés) (natív 2D; 3D) Neutronos módszerek + pozicionálás kombinálása = lokális mérések Analysis (Elemzés) Imaging (Leképezés) A.1. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: Képalkotási lehetőségek neutronokkal. 5

6 A radiográfia alapelve Radiográfia = Rajzolj a sugárzással A radiográfia olyan direkt és roncsolásmentes képalkotási technika, ahol a tárgyon áthaladó nyaláb módosulásának érzékelésével a tárgy egy képi vetületét kapjuk. A láthatatlan sugárzás látható képpé alakul Investigated object Radiation source D I o I o I x x I l1 I =I oe I =I e x o - h - (h-x) - x x L l >> l 1 2 h l 2 Converter screen Radiography imaging A.2. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: Az alapvető fizikai folyamatok (elnyelés és szóródás, Beer-Lambert törvény, kontraszt). 6

7 Monoenergiás nyaláb gyengülése Beer-Lambert törvény érvényes ha: pontszerű a detektor vékony és jól kollimált a nyaláb nincs ún. build-up hatás I I tr 0 exp tot d d: anyagvastagság Lineáris gyengítési együttható (μ, cm -1 ) makroszkopikus az elnyelés és a szórás összege tot a abs scat a : atomsűrűség (cm -3 ) abs : elnyelési hatáskeresztmetszet (cm 2 ) scat : szórási hatáskeresztmetszet (cm 2 ) Tömeggyengítési együttható (μ m, cm 2.g -1 ) és felületi sűrűség (d m, g.cm -2 ) egy elemre I I tr 0 exp m tot md exp tot m d μ m = μ / m : azonos számértékű egy elem szilárd, folyadék és gáz állapotában m : tömegsűrűség (g.cm -3 ) m A.2. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: Az alapvető fizikai folyamatok (elnyelés és szóródás, Beer-Lambert törvény, kontraszt). 7

8 A céltárgy optimális vastagsága (háttéranyag) I I tr 0 exp I ln I tot tot d exp d tr 0 Céltárgy vastagsága d 3.91 tot tot d d min tot m m d optimális : µ tot d értelmében az optimális átvitel korlátozott ha µ tot ismert, akkor a min. és max. vastagság korlátozott: max átvitel min. > 0.02 átvitel max. < 0.98 ln 0.02 tot m ln 0.98 tot m 0.02 tot Elem tot (cm -1 ) d min (cm) < d < d max (cm) Al Bi Ag A.2. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: Az alapvető fizikai folyamatok (elnyelés és szóródás, Beer-Lambert törvény, kontraszt). 8

9 Feketedés és kontraszt (neutronok, röntgen) Radiográfiai kontraszt: az egymás mellett lévő feketedések (intenzitások) közötti különbség. Matematikailag az egymás mellett lévő intenzitások közti különbség hányadosával vagy százalékával fejezhetjük ki. V kontraszt V max max V V min min A gyakorlatban a fehértől a feketéig terjedő árnyalatokon (szürkeértékek) keresztül. neutron röntgen A.2. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: Az alapvető fizikai folyamatok (elnyelés és szóródás, Beer-Lambert törvény, kontraszt). 9

10 Összehasonlítás: röntgen vs. neutron A.3. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: A neutronos képalkotás összehasonlítása a Röntgen-sugárzáson alapuló módszerrel. 10

11 A feketedés és a kontraszt fizikai háttere Az elemek tömeggyengítési együtthatói (logaritmikus skála!!) termikus neutronokra (különálló pontok), 1 MeV-es gamma-sugárzásra (pontozott vonal), 150 kv-os (folytonos vonal) és 60 kv-os röntgen-sugárzásra (szaggatott vonal) A.3. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: A neutronos képalkotás összehasonlítása a Röntgen-sugárzáson alapuló módszerrel. 11

12 A feketedés és a kontraszt fizikai háttere (háttéranyag) A 100 kev energiájú fotonra vonatkozó teljes mikroszkópikus hatáskeresztmetszet, σ [barn] (a kölcsönhatás az elektronhéjban játszódik le) A 25 mev energiájú neutronra vonatkozó teljes mikroszkópikus hatáskeresztmetszet, σ [barn] (a kölcsönhatás az atommagban játszódik le) A.3. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: A neutronos képalkotás összehasonlítása a Röntgen-sugárzáson alapuló módszerrel. 12

13 A neutronos képalkotás fejlődése J.S. Brenizer / Physics Procedia 43 ( 2013 ) A.4. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: A képalkotás fejlődése, egy modern radiográfiás rendszer felépítése (a kollimációs tényező). 13

14 Klasszikus radiográfiás rendszer felépítése Alapelemek: izotróp neutronforrás (pl. reaktor) elsődleges apertúra (D) nyalábszűrők kollimátor nyalábzár detektor (film, kamera) nyalábstop A.4. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: A képalkotás fejlődése, egy modern radiográfiás rendszer felépítése (a kollimációs tényező). 14

15 Kollimációs tényező: L/D A kollimátor fő feladata a neutronok kicsatolása a neutronforrásból (pl. reaktor) Φ = Φ 0Α 4πL 2 A = πd2 4 Φ 0 Φ = belépő fluxus kilépő fluxus = 16 L D 2 A.4. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: A képalkotás fejlődése, egy modern radiográfiás rendszer felépítése (a kollimációs tényező). 15

16 Egy idealizált radiográfiai rendszer alapelemei Neutron fluxus Látható fény Szürkeérték d l d L D ld d Mennyire közelíti a nyalábgeometria az ideálisnak tekintett pontforrás geometriát? Nagyobb L/D arány jobb felbontás jelent a képen. L/D: Kollimációs tényező A.4. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: A képalkotás fejlődése, egy modern radiográfiás rendszer felépítése (a kollimációs tényező). 16

17 A kollimációs tényező hatása A.4. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: A képalkotás fejlődése, egy modern radiográfiás rendszer felépítése (a kollimációs tényező). 17

18 Egy modern radiográfiás rendszer felépítése A képkészítés alapja: a neutronnyaláb gyengülése az útjába helyezett anyagban neutron-érzékeny, látható fényt kibocsátó szcintillátorernyő tükör leképező rendszer digitális kamera képfeldolgozó szoftver és hardver digitális kamera leképező rendszer gyengítetlen neutronnyaláb áthaladó neutronok látható fény szcintillátor ernyő Al-tükör A.4. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: A képalkotás fejlődése, egy modern radiográfiás rendszer felépítése (a kollimációs tényező). 18

19 Egy modern radiográfiás rendszer felépítése Előnyök: Hideg és termikus neutronok alkalmazása a jó detektálhatóság és a legtöbb anyagra vonatkozó jó kontraszt miatt Gd, Li-6 and B-10 tartalmú szcintillátor anyagok alkalmazása a neutronok detektálhatósága érdekében A minél párhuzamosabb nyalábgeometria elérése A digitális képkészítési technika helyettesíti a hagyományos filmes technikát A.4. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: A képalkotás fejlődése, egy modern radiográfiás rendszer felépítése (a kollimációs tényező). 19

20 Valódi rendszerek (kamera + szcintillátor) Szcintillátor és tükör Optika és CCD kamera Sugárzás elleni védelem München 300 mm Budapest 105 mm 50 mm A.4. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: A képalkotás fejlődése, egy modern radiográfiás rendszer felépítése (a kollimációs tényező). 20

21 Neutronforrások leképezéshez (háttéranyag) Kutatóreaktor (ILL, FRM-II, BNC,...) Spallációs forrás (ISIS, SINQ, SNS,...) Radioaktív elemek (Cf, Ra-Be, Sb-Be) Gyorsítós sugárforrás (D-D, D-T reakciók) A.5. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: Képalkotásra alkalmas detektorrendszerek és alapvető jellemzőik (térbeli és időbeli felbontás). 21

22 Neutronok detektálása (háttéranyag) Közvetlen neutrondetektálás nem lehetséges Másodlagos magreakció szükséges : befogás, hasadás, ütközés A neutronos leképezés főként a következő folyamatokon alapul: szcintilláció másodlagos részecskék (+β, γ) által kiváltott foto-lumineszcencia nyomjelzés nuclear track detection kémiai gerjesztés chemical excitation töltésösszegyűjtés félvezetőkben A.5. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: Képalkotásra alkalmas detektorrendszerek és alapvető jellemzőik (térbeli és időbeli felbontás). 22

23 Leképezésre alkalmas detektorok (háttéranyag) Budapesti Neutron Centrum A.5. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: Képalkotásra alkalmas detektorrendszerek és alapvető jellemzőik (térbeli és időbeli felbontás). 23

24 Leképezésre alkalmas detektorok jellemzői A.5. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: Képalkotásra alkalmas detektorrendszerek és alapvető jellemzőik (térbeli és időbeli felbontás). 24

25 Detektorok térbeli és időbeli felbontása A.5. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: Képalkotásra alkalmas detektorrendszerek és alapvető jellemzőik (térbeli és időbeli felbontás). 25

26 A rendszer térbeli felbontása Egy leképező-rendszer térbeli felbontóképessége a tárgy két szomszédos, még külön képként érzékelt pontja közötti távolság (az Airy-korong sugara). Módszerek a térbeli felbontás mérésére : Gd Siemens Csillag tesztmintázat: egyre vékonyodó küllők koncentrikus gyűrűkbe rendezve a mintázat fél-kvantitatív becslést ad a felbontóképességre Gd fólia élén végzett vizsgálatok : Az élválasz-függvénynek (Edge-Spread Function, ESF) a teljes intenzitás 10% és 90%-os értékéhez tartozó pontjai közötti távolság A vonalválasz-függvény (Line-Spread Function, LSF) Gauss-csúcs alakú illesztésének félértékszélessége Az átviteli-függvény (Modulation Transfer Function, MTF) 10%-os értékéhez tartozó térbeli frekvencia inverze A.5. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: Képalkotásra alkalmas detektorrendszerek és alapvető jellemzőik (térbeli és időbeli felbontás). 28

27 A rendszer térbeli felbontása (Siemens star) Detektorrendszer a neutronvezető végénél: szcintillátor + optika + CCD (a-b) Egy high-end neutronos leképező rendszer (CoNRaD, HZB, Berlin) Gadox (Gd 2 O 2 S:Tb) szcintillátor (rétegvastagság: 4 m) A 40 m-es közű küllők jól láthatók, jelezve az ennél jobb térbeli felbontást Újfajta standard teszt objektum szükséges a nagyfelbontású vizsgálatokhoz (c) Szerényebb képességű leképező rendszer (NORMA, BNC, Budapest) 6 LiF/ZnS:Ag szcintillátor (rétegvastagság : 100 m) A 200 m-es közű küllők jól láthatók, jelezve az akörüli térbeli felbontást 100 m 200 m A.5. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: Képalkotásra alkalmas detektorrendszerek és alapvető jellemzőik (térbeli és időbeli felbontás). (c) 29

28 A rendszer térbeli felbontása (Gd él) Detektorrendszer (CoNRaD): CCD kamera + optika + Gadox szcintillátor A térbeli felbontás mérése: egy 100 m vastag, a szintillátorernyő Al-lapjára helyezett gadolínium fólia élének leképezésével ESF (élválasz-függvény): az élen átmenő merőleges vonalprofil szürkeértékeiből A térbeli felbontás értéke kissé eltérő az alkalmazott módszerektől függően resolution : 17 m resolution : 11 m resolution : 14.8 m A.5. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: Képalkotásra alkalmas detektorrendszerek és alapvető jellemzőik (térbeli és időbeli felbontás). 34

29 A rendszer térbeli felbontása, szcintillátor vastagság Mérőrendszer : CCD kamera + optika + különböző vastagságú 6 LiF/ZnS(Ag) A térbeli felbontás mérése egy 25 μm-es Gd fólia élének képével történt, a fólia közvetlenül a szcintillátor Al előlapjára volt ragasztva Az élválasz-függvényt (ESF) az élre merőleges vonalprofil adja A térbeli felbontás az élválasz-függvénynek a teljes intenzitás 10% és 90%-os értékéhez tartozó pontjai közötti távolság átlagértéke A.5. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: Képalkotásra alkalmas detektorrendszerek és alapvető jellemzőik (térbeli és időbeli felbontás). 35

30 A rendszer térbeli felbontása, szcintillátor vastagság A.5. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: Képalkotásra alkalmas detektorrendszerek és alapvető jellemzőik (térbeli és időbeli felbontás). 36

31 A leképezés időbeli felbontása 1. Az egyszeri és nagyon gyors folyamatok leképezése nagysebességű, pl. néhány ezer kép per másodperc időbeli felbontást igényel Példa: pisztolylövés a neutronos leképezés számára gyakorlatilag elérhetetlen! Miért? Problémák: - A foton/neutron arány egy rövid idejű képkockán nagyon alacsony, a detektor zajszintjébe esik. - Az általában használatos detektorok pixel kiolvasási sebessége lassú, így a teljes kép kiolvasása hosszú idő, ezért a képet kevés pixelre képezik le, így csak gyenge térbeli felbontás érhető el. De: Új, gyors detektorrendszerek fejlesztése folyik. A végső korlát a neutronok fluxusa! 2. Az egyszeri és viszonylag lassú folyamatok leképezése pl kép per másodperc időbeli felbontást igényel Példa: felszívódás, diffúzió a neutronos leképezés számára gyakorlatilag is elérhető! A gyakorlaton megcsináljuk! A.5. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: Képalkotásra alkalmas detektorrendszerek és alapvető jellemzőik (térbeli és időbeli felbontás). 38

32 A leképezés időbeli felbontása 3. Az ismétlődő és nagyon gyors folyamatok leképezése stroboszkópos leképezéssel lehetséges Példa: Üzemanyag befecskendezés vagy olajkenés a működő motorban Előny: - A foton/neutron arány egy rövid idejű képkockán nagyon alacsony, de a periodikus folyamat azonos fázisában sok, egymásra rakódó expozíció készíthető, amely végül egyszerre kiolvasható Hátrány: - Egyszerre csak egy fázis képezhető le, ezért a folyamatot számos fázis kell szétbontani. Sok neutron haszontalanul elveszik az éppen nem leképezendő fázisokban. Fizikai korlátok A rendelkezésre álló foton/neutron fluxus egy időablakban A szcintillátoranyag utánvilágításának felezési ideje A detektor kiolvasási sebessége A detektor jeleinek kapuzási ideje (ha alkalmazható) A.5. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: Képalkotásra alkalmas detektorrendszerek és alapvető jellemzőik (térbeli és időbeli felbontás). 39

33 Digitális leképezés A digitális leképezés előnyei a neutronos vizsgálatokban: nagy érzékenység és hatásfok gyors kiolvasás, magas képfrekvencia kiváló linearitás, széles dinamikus tartomány elfogadható (és egyre javuló) térbeli felbontás számszerű kiértékelésre alkalmas digitális információ utólagos képfeldolgozás lehetséges könnyű archiválás és adat átadás tomografikus leképezés lehetősége A.6. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: Digitális képalkotás előnyei és korlátai. 40

34 Digitális leképezés A digitális radiográfia kimenete: 2D kép lineáris skálával (pl. szürkeértékek) Projekció: integrálja a tárgy nyalábirányba eső rétegeit, utólagos képfeldolgozás lehetősége A pixelek mátrixa, mint adathalmaz tartalmazza az intenzitás értékeket Alkalmas számszerű kiértékelésre A neutronradiográfia korlátai: Térbeli felbontás (a detektálási módszer meghatározza) Korlátozó még: nyalábkollimáció, pixelméret, optikai rendszer Képfrekvencia (besugárzási és kiolvasási idő) Korlát: nyalábintenzitás, detektor érzékenység, elektronikus komponensek Tárgyméret (a tárgy anyagának transzmissziós tulajdonsága) Gyorsneutronok alkalmazásával növelhető (detektálás nehézkes) A.6. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: Digitális képalkotás előnyei és korlátai. 41

35 3D rekonstrukció: tomográfia A tomográfia a radiográfia kiterjesztése, amelynek során a 360 vagy 180 fokban körülforduló objektumokról az egyes kis elfordulási szögeknél felvett projekciók sorozatából matematikai algoritmusokkal a tárgy részeinek neutrongyengítési értékei 3D-ben megjeleníthetők. A.7. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: A tomográfia, mint a radiográfia háromdimenziós kiterjesztése. 42

36 Korrekciók, a projekciók Radon-transzformációja Detektált valódi intenzitás: I openbeam, I darkbeam, I transmitted a projekciók korrekciója szükséges a fluxus normalizációjához: kamera sötétáramra nyaláb és detektor inhomogenitásra neutron fluxus szürkeérték I I tr 0 I I transmitted openbeam I I darkbeam darkbeam x x, y t y Intenzitások szürkeérték skálán Szcint. ernyő + CCD pixelek valódi minta = (kis, homogén minták) s I I tr 0 e tot beam path x, y ds nyaláb t xcos ysin Projekciók (Radon-transzformáció): A (x,y) gyengítési együttható szöghöz tartozó, t-re merőleges (s-menti) vonalintegráljai adott szeleten keresztül P t I ln I tr 0, t, t line x, y t x cos y sin x, y ds dxdy A.7. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: A tomográfia, mint a radiográfia háromdimenziós kiterjesztése. 43

37 A képrekonstrukció lépései (x,y,z) P (t) (x,y) Projekciók különböző szögeknél Objektumszeletek 3D megjelenítés A.7. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: A tomográfia, mint a radiográfia háromdimenziós kiterjesztése. 46

38 Neutronradiográfia és -tomográfia Léptető motor: Eredeti projekció Normált projekció Egy rekonstruált szelet 3D szelet A.7. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: A tomográfia, mint a radiográfia háromdimenziós kiterjesztése. 47

39 Neutrontomográfia Két rugó: A.7. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: A tomográfia, mint a radiográfia háromdimenziós kiterjesztése. 48

40 Miért jó a neutrontomográfia? 3 dimenziós kép: virtuális valóság Forgatás, eltolás tetszőleges nézőszög Renderelés tetszőleges részlet kiemelése ill. szeletelés A.7. A neutronradiográfia és tomográfia elméleti alapjai: A tomográfia, mint a radiográfia háromdimenziós kiterjesztése. 49

41 Alkalmazások: tudomány + ipar B. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei 50

42 Mérőhelyek világszerte és hazánkban E. Lehmann B.1. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Mérőhelyek világszerte és hazánkban. 51

43 Egy leképezőrendszer komponensei 1. Source 2. Moderator 3. Cold source (optional) 4. Collimator 5. Radiation filters 6. Flight tube 7. Sample manipulator 8. Detector 9. Shielding+beam dump 10. Door 11. Shutters 12. Beam Limiters B.1. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Mérőhelyek világszerte és hazánkban. 52

44 Svájc Termikus neutronok Experiment position Experiment position X-ray tube NEUTRA: NEUtron Transmission RAdiography B.1. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Mérőhelyek világszerte és hazánkban. 53

45 Svájc Hideg neutronok ICON: Imaging with COld Neutrons Extreme good resolution (25 m) for small objects Micro-Tomography- Position Space for Selector or Chopper Position for large objects Beam limiters variable apertures 1 80 mm, Be filter B.1. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Mérőhelyek világszerte és hazánkban. 54

46 Antares FRM2, Németo. Hideg neutronok Három különálló kamra : 1. Nyalábformálás (zár, szűrők, kristály monokromátor, szelektor, polarizátor, periszkóp) 2. Nagy fluxus, alacsony háttér, lehetőség röntgenátvilágításra 3. Nagy minták, magas L/D He-töltött (15 mbar) repülési csövek B.1. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Mérőhelyek világszerte és hazánkban. 55

47 RAD és NIPS BNC BNC = Budapesti Neutron Centrum Budapest RAD NIPS - NORMA BNC B.1. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Mérőhelyek világszerte és hazánkban. 56

48 RAD és NIPS BNC Stations are located in the Cold Neutron Guide Hall and the Reactor Hall NIPS Neutron Induced Prompt gamma-ray Spectrometry NORMA Neutron Optics and Radiography for Material Analysis RAD Static and Dynamic Neutron Imaging, X-ray and gamma-ray radiography B.1. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Mérőhelyek világszerte és hazánkban. 57

49 BNC Távolság: cm Fluxustartomány: n.cm -2.s -1 L/D = Nyalábátmérő: mm subcd / epi = 52 Neutron beam Reactor RAD: NR/NT station mérési pozíciók Leképezési lehetőségek: Nagy fényérzékenységű TV-kamera Fotolumineszcens képlemez Röntgencsövek: kev; 5 ma Gamma sugárzás: ~ 8,5 Gy/h 16-bit 4 Mpx scmos kamera Új röntgencső: kev, max. 10 ma Radiográfia/Tomográfia nagyobb tárgyakon Kis látótér, nagy térbeli felbontás B.1. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Mérőhelyek világszerte és hazánkban. 58

50 Fejlesztések RAD-nál (háttéranyag) Capable of neutron, X-ray and gamma imaging static imaging: radiography and tomography based on digital scmos camera (Andor Neo 5.5) neutron: Li 6 F/ZnS, Gadox; X-ray: Gadox; gamma-ray: NaI(Cs) crystal dynamic imaging: radiography based on low-level-light analog TV camera (Vidicon tube) and digital scmos different field of views: mm 2 (Sigma 50mm) mm 2 (Nikon 105mm) mm 2 (Nikon 300mm) B.1. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Mérőhelyek világszerte és hazánkban. 59

51 BNC reaktorcsarnok neutronvezető csarnok A mintakamra B mozgatóasztal C neutronradiográf/tomográf D HPGe-BGO gamma detektor NIPS NORMA BERENDEZÉS NIPS Neutron induced prompt gamma-ray spectrometry (NIPS) NORMA Neutron Optics and Radiography for Material Analysis C A D A NIPS NORMA berendezés 2012 januárja óta működik. B B.1. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Mérőhelyek világszerte és hazánkban. 60

52 A NIPS-NORMA mérőrendszer (háttéranyag) NIPSNORMA, a sokoldalú görbített neutronvezető (2,5 ) változtatható neutron és gamma kollimáció pozíció érzékeny elemanalízis (PGAI) képalkotó rendszer (NR/NT) HPGe gamma detektor Jellemzők: hideg n-spektrum: Å HPGe + BGO detektor 16-bit 1 Mpx CCD kamera L/D mért: 233 térbeli felbontás: 0,2-0,5 mm 1.48E+07 Neutron - nyaláb NR / NT 48.6 MM 1.05E E+06 Mintakamra 2.70E E+07 Motorizált mintamozgató 48.6 MM A FLUXUS ÉRTÉKEK MÉRÉSE AU-FÓLIÁK AKTIVÁLÁSÁVAL TÖRTÉNT (ÖT HOMÁLYOS FOLT A KÉPEN). MÉRTÉKEGYSÉG: N.CM -2.SEC -1. B.1. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Mérőhelyek világszerte és hazánkban. 61

53 Tudományos alkalmazások kulturális örökség, geológia, anyagtudomány, növényélettan... B.2. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Tudományos alkalmazások. 62

54 Kulturális örökség sisak, bronz szobor, Belső szerkezet, öntési technológia meghatározása E.H. Lehmann et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 542 (2005) B.2. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Tudományos alkalmazások. 63

55 Hawaii bazalt pórusok B.2. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Tudományos alkalmazások. 64

56 Homokkőben kötött olaj B.2. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Tudományos alkalmazások. 65

57 Másodlagos hidridizáció Urán fűtőanyag burkolat Baleseti szituációhoz vezető folyamat: reaktor hűtőközegének elvesztése (LOCA) NR: Zr burkolat hidrogén-eloszlásának meghatározása a repedés körül M. Grosse et al. / Journal of Nuclear Materials 420 (2012) B.2. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Tudományos alkalmazások. 66

58 Röntgen- és neutronradiográfia, tomográfia habok Pórusméret-eloszlás, falvastagság-eloszlás meghatározási lehetősége E. Solórzano et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 324 (2014) B.2. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Tudományos alkalmazások. 67

59 Növény élettan gyökérfelszívódás Víztartalom-eloszlás, felszívódási sebesség meghatározási lehetősége Lehmann, E.H., Kaestner, A.P., D Neutron Imaging, in: Encyclopedia of Analytical Chemistry. John Wiley & Sons, Ltd. B.2. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Tudományos alkalmazások. 68

60 Ipari alkalmazások mérnöki gyakorlat, elektronika, gyártástechnológia, minőség-ellenőrzés... B.3. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Ipari jellegű felhasználások. 69

61 Mérnöki belső szerkezet / törésfelületek S3D (stereoscopic 3D) vizualizáció B.3. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Ipari jellegű felhasználások. 70

62 Elektronika Fotó Röntgen Neutron Neutron - röntgen M. Schulz, B. Schillinger, Technische Universitat München B.3. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Ipari jellegű felhasználások. 71

63 Turbinalapátok kerámiamag maradék vizsgálata Kobalt- és nikkel-tartalmú szuperötvözetek a repülőgép hajtóművek és gázturbinák számára (AlcoaHowmet Hungary) Öntvény belső gázjáratokkal (viaszba ágyazott kerámiamag) magmaradék: nehezen detektálható röntgen-átvilágítással RAD RAD NORMA Képek: RAD vs. NORMA Kontrasztnövelés Cd-oldatos fürdővel (2% and 40%) B.3. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Ipari jellegű felhasználások. 72

64 Mi-24 katonai helikopter rotorlapát 19 szektor, 9,85 m hosszú, 700 mm széles, 65 mm vastag, teljes tömeg:115 kg RAD X-RAY water B.3. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Ipari jellegű felhasználások. NEUTRON 73 73

65 Űrkutatásban használatos piropatronok CEA Saclay, Franciaország B.3. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Ipari jellegű felhasználások. 74

66 Valós idejű neutronradiográfia - kávéfőző B.4. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Folyamatok valós idejű követése. 75

67 Li-ion elemek Korreláció a töltöttségi állapottal Elektródák gázborítottsága N. Kardjilov et al. / Materials today 14(6) (2011) B.4. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Folyamatok valós idejű követése. 76

68 Stroboszkopikus leképezés kumulatív expozíció A ciklikus folyamatok lehetnek gyorsabbak, mint a valós idejűek A kamera indítása mindig azonos fázisban Számos rövid idejű expozíció kumulatív összegyűjtése Az egyes fázisok különálló leképezése B.4. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Folyamatok valós idejű követése. 77

69 Első stroboszkopikus leképezés: BMW motor Nyaláb: NEUTROGRAPH (ILL, Grenoble) fluxus: n/cm 2 s L/D=140 A motor fordulatszáma: 1000 perc -1 Képkészítés: 150 kép kumulative gyűjtése egy fázisban egyedi expozíciós idő: 200 mikrosec / kép 120 egyedi fázis 2 forgás alatt összes expozíciós idő a teljes körbefordulásra 18 perc Látótér: 24 cm 24 cm (változtatható) ILL, Universität Heidelberg, Paul- Scherrer-Institut és TU München 2008-ban B.4. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Folyamatok valós idejű követése. 78

70 Első stroboszkópos leképezés: BMW motor Dugattyú olajhűtésének első vizualizációja! Szelepek (egymás mögött kettő) Olajkenés a dugattyún Olajsugár lövell alulról a dugattyú aljára B.4. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Folyamatok valós idejű követése. 79

71 Egy korszerű stroboszkópos kép: láncfűrész Dinamikus neutron radiográfia: kétütemű láncfűrész motorja 8000 perc -1 fordulatszámon. A fázisok különböző főtengely pozíciókat mutatnak. Expozíciós idő: 50 µs, amivel a főtengely forgásának szögfelbontása 3 fok. Egy fázisban 1000 egyedi kép került kumulatív gyűjtésre. Paul Scherrer Institut (PSI), Svájc B.4. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Folyamatok valós idejű követése. 80

72 RAD-DNR Optimális vízkezelés fontossága. A keletkező víz nagyban gátolja a gázok áramlását. Deutérium: Az tüzelőanyagcella üzemanyagát hidrogénról deutériumra változtatva a cella nehézvizet produkál, ami majdnem teljesen átlátszó a neutronok számára. A vízkicserélődési folyamatok jól követhetők az időben. B.4. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Folyamatok valós idejű követése. 81

73 In situ (dinamikus) RAD-DNR ANCARA szuperkritikus víz (SCW) viselkedésének tanulmányozására alkalmas vízkör (p>22.1mpa, T>374C) Hűtőközeg a IV. generációs szuperkritikus nyomottvizes hűtésű reaktorokban A hűtőközeg termohidraulikai (pl. hőtranszfer) viselkedésének jobb megértése hatékonyabbá teheti a majdani energiatermelést p,t,v paraméterek: külső vezérlés Folyadék dinamikai kódok validációja Vezető: Nukleáris Technikai Intézet (BME) Márton Balaskó, László Horváth et al.: Physics Procedia 43 ( 2013 ) B.4. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Folyamatok valós idejű követése. 82

74 Szuperkritikus RAD-DNR A SCW sűrűsége kontrollálható a gáz-, ill. folyadékszerű fázis között a nyomás és a hőmérséklet változtatásával Dinamikus radiográfia (hidrogén) végezhető néhányszor 10 millisecundumos időfelbontással B.4. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Folyamatok valós idejű követése. 83

75 Valós idejű neutronradiográfia építőanyagok Kapilláris felszívódás lakmuszpapírban Kapilláris felszívódás téglában y k x c c k ( ) 10 m/ s t / s A gyakorlaton megcsináljuk!!! B.4. A neutronradiográfia és tomográfia felhasználási lehetőségei: Folyamatok valós idejű követése. 84

76 10 secs takeaways Neutron imaging (NI) is an effective tool in nondestructive material testing Thank you for your attention! 85