중성자 이미징

Neutron imaging
Oak Ridge 국립 연구소의 중성자 방사선 촬영 시설에서 생성된 이미지.

중성자 이미징은 중성자로 이미지를 만드는 과정이다. 결과 영상은 이미징된 물체의 중성자 감쇠 속성을 기반으로 한다. 결과 영상은 산업용 X선 영상과 많은 공통점을 가지고 있지만 X선 감쇠 속성 대신 중성자 감쇠 속성을 기반으로 하기 때문에 중성자 영상 촬영으로 쉽게 볼 수 있는 일부 사물은 X선 영상 촬영 기법으로 매우 어렵거나 불가능할 수 있다.

X선은 물질의 밀도에 따라 감쇠된다. 밀도가 높은 물질은 더 많은 X선을 막을 것이다. 중성자의 경우 물질의 중성자 감쇠 가능성은 그 밀도와 관련이 없다. 붕소와 같은 일부 가벼운 물질은 중성자를 흡수하고 수소는 일반적으로 중성자를 산란시키며, 일반적으로 사용되는 많은 금속은 중성자를 통과하게 한다. 이를 통해 중성자 이미징이 X선 이미지보다 많은 경우에 더 적합할 수 있다. 예를 들어, 솔리드 로켓 부스터의 세그먼트 조인트와 같은 금속 구성 요소 내부의 O-링 위치와 무결성을 살펴보는 것이다.

역사

중성자는 1932년 제임스 채드윅에 의해 발견되었다. 중성자 방사선 촬영의 첫 번째 시연은 하르트무트 칼만과 E에 의해 이루어졌다. 1930년대 후반 쿤. 그들은 중성자 폭격이 있을 때, 어떤 물질들은 필름을 노출시킬 수 있는 방사선을 방출한다는 것을 발견했다. 이 발견은 피터스에 의해 저품질 방사선이 만들어진 1946년까지 호기심으로 남아 있었다. 합리적인 품질의 최초의 중성자 방사선은 J에 의해 만들어졌다. 1955년 테울리스 (영국)

1960년경 해롤드 버거(미국)와 존 P. 바튼(영국)은 조사핵연료 조사를 위해 중성자를 평가하기 시작했다. 그 후, 많은 연구 시설이 개발되었다. 최초의 상업시설은 1960년대 후반에 온라인에 등장했는데, 주로 미국과 프랑스, 그리고 결국 캐나다, 일본, 남아공, 독일, 스위스를 포함한 다른 나라들에서 왔다.

과정

중성자 이미지를 생성하기 위해서는 중성자, 중성자 소스, 방출된 중성자를 상당히 단방향 빔으로 형상화하는 콜리메이터, 이미징할 물체, 영상 기록 방법 등이 필요하다.

중성자원

일반적으로 중성자 선원은 연구용 원자로로서 단위 면적당(플룩스)이 많은 중성자를 이용할 수 있다.[1] 중성자의 동위원소 선원에 대한 일부 작업이 완료되었다(캘리포니아산-252의 대규모 자발 핵분열,[3] Am-Be 동위원소 선원 등). 이는 자본 비용을 줄이고 이동성을 증가시키지만, 훨씬 낮은 중성자 강도와 현저하게 낮은 화질을 희생시킨다. 또한 중성자의 가속기 선원은 spallation target이[4] 있는 대형 가속기를 포함하여 가용성이 증가했으며, 이러한 선원은 중성자 이미징에 적합한 선원이 될 수 있다. 중수소-중수소 또는 중수소-중수소 핵융합 반응을 생성하는 중성자를 이용한 휴대용 가속기 기반 중성자 발전기.[5]

절제

중성자가 생성된 후에는 영상촬영에 필요한 속도까지 속도를 줄여야 한다(운동에너지 감소). 이것은 상온에서 물, 폴리에틸렌 또는 흑연의 어느 정도 길이의 형태를 취하여 열 중성자를 만들 수 있다. 감속재에서 중성자는 원자핵과 충돌하여 속도가 느려진다. 결국 이들 중성자의 속도는 감속재의 온도(운동 에너지의 양)에 근거한 어느 정도의 분포를 달성할 것이다. 더 높은 에너지 중성자를 원하는 경우 흑연 감속재를 가열하여 더 높은 에너지의 중성자(말단 표피 중성자)를 생성할 수 있다. 낮은 에너지 중성자의 경우 액체 중수소(수소 동위원소)와 같은 저온 감속재를 사용해 저에너지 중성자(콜드 중성자)를 생산할 수 있다. 감속재가 없거나 적을 경우 고에너지 중성자(고속 중성자)를 생성할 수 있다. 감속재 온도가 높을수록 중성자의 운동 에너지가 높고 중성자가 더 빨리 이동하게 된다. 일반적으로 더 빠른 중성자는 더 침투적이 되겠지만, 이러한 경향으로부터 몇 가지 흥미로운 편차가 존재하며 때로는 중성자 영상촬영에 활용될 수 있다. 일반적으로 영상 시스템은 중성자의 단일 에너지만을 생성하도록 설계되고 설정되며, 대부분의 영상 시스템은 열 또는 냉 중성자를 생성한다.

어떤 상황에서는 중성자의 특정 에너지만을 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 중성자의 특정 에너지를 분리하려면 중성자를 결정에서 산란시키거나 중성자 빔을 절단하여 그 속도에 따라 중성자 빔을 분리하는 것이 옵션이지만, 이는 일반적으로 매우 낮은 중성자 강도를 생성하여 매우 긴 노출로 이어진다. 일반적으로 이것은 연구 용도에 대해서만 수행된다.

이 논의는 열 중성자 이미징에 초점을 맞추고 있지만, 이러한 정보의 많은 부분이 저온 및 표피 이미징에도 적용된다. 고속 중성자 영상촬영은 국토안보 애플리케이션에서 관심 있는 영역이지만 현재 상용화되지는 않으며 일반적으로 여기에서 설명되지 않는다.

콜리메이션

감속재에서 중성자는 여러 방향으로 이동하게 될 것이다. 좋은 이미지를 생성하기 위해서는 중성자가 상당히 균일한 방향으로 이동해야 한다(일반적으로 약간 다른 방향). 이를 위해 중성자 흡수 물질로 둘러싸인 개구부(중성자 흡수 물질로 중성자를 통과할 수 있는 개구부)는 시준기로 들어가는 중성자를 제한한다. 중성자 흡수 물질(예: 붕소)이 있는 콜리메이터의 일부 길이는 원하는 방향으로 콜리메이터의 길이를 이동하지 않는 중성자를 흡수한다. 영상 화질과 노출 시간 사이에 절충이 존재한다. 시준계통이 짧거나 개구부가 크면 중성자 빔이 더 강해지지만 중성자는 더 다양한 각도로 이동하게 되며, 콜리메이터가 길거나 개구부가 작을수록 중성자의 이동방향은 더 균일해지지만 중성자는 훨씬 적어지고 노출은 더 길어질 것이다.내가 결실을 맺을 것이다.

오브젝트

이 물체는 중성자 빔에 위치한다. X선 시스템에서 발견된 것들로부터 기하학적 선명도가 증가함에 따라, 물체는 가능한 한 영상 기록 장치에 가깝게 배치되어야 한다.

전환

비록 수많은 다른 영상 기록 방법이 존재하지만 중성자는 일반적으로 쉽게 측정되지 않으며 더 쉽게 검출되는 어떤 다른 형태의 방사선으로 변환될 필요가 있다. 일부 영상 캡처 방법은 영상 레코더에 변환 재료를 직접 포함하지만, 일반적으로 이 작업을 수행하기 위해 어떤 형태의 변환 화면을 사용한다. 종종 이것은 열 중성자를 위한 매우 강력한 흡수제인 가돌리늄의 얇은 층의 형태를 취한다. 25마이크로미터 층의 가돌리늄은 그 위에 발생한 열 중성자 사건의 90%를 흡수하기에 충분하다. 어떤 상황에서는 붕소, 인듐, 금 또는 다이프로시움과 같은 다른 원소를 사용하거나 변환 스크린이 중성자를 흡수하여 가시광선을 방출하는 LiF 섬광 스크린과 같은 물질을 사용할 수 있다.

영상녹화

중성자로 영상을 제작하기 위해 다양한 방법을 사용하는 것이 일반적이다. 최근까지 중성자 영상촬영은 일반적으로 X선 필름에 기록되었으나, 현재는 다양한 디지털 방법을 이용할 수 있다.

중성자 방사선 촬영(필름)

중성자 방사선 촬영은 필름에 기록되는 중성자 영상을 생성하는 과정이다. 이것은 일반적으로 중성자 이미징의 최고 해상도 형식이지만, 이상적인 설정을 가진 디지털 방법이 최근 유사한 결과를 얻고 있다. 가장 자주 사용되는 접근법은 가돌리늄 변환 스크린을 사용하여 중성자를 단일 에멀전 X선 필름으로 노출시키는 고에너지 전자로 변환한다.

직접 방법은 빔라인에 존재하는 필름을 사용하여 수행되므로 중성자는 변환 스크린에 흡수되어 필름을 노출시키는 어떤 형태의 방사선을 즉시 방출한다. 간접적인 방법은 빔라인에 직접 필름을 가지고 있지 않다. 변환 스크린은 중성자를 흡수하지만 방사선이 방출되기 전에 약간의 시간 지연이 존재한다. 변환화면에 영상을 기록한 후 변환화면을 필름과 일정 시간(일반적으로 시간) 밀착시켜 필름에 영상을 제작한다. 간접적인 방법은 방사능 물체나 감마선 오염이 높은 영상 시스템을 다룰 때 상당한 이점을 가지고 있으며, 그렇지 않으면 일반적으로 직접적 방법을 선호한다.

중성자 방사선 촬영은 항공기 엔진용 터빈 날개, 우주 프로그램용 부품, 고신뢰성 폭발물 및 제품 개발 주기 동안 문제를 식별하기 위해 항공우주 산업에서 널리 사용되는 상용 서비스다.

"중성자 방사선 촬영"이라는 용어는 모든 중성자 영상 촬영 방법을 참조하기 위해 잘못 사용되는 경우가 많다.

트랙 에치

트랙 에치는 대체로 구식이다. 변환 스크린은 중성자를 셀룰로오스 조각에서 손상 흔적을 생성하는 알파 입자로 변환한다. 산욕은 중성자 노출에 따라 두께가 달라지는 셀룰로오스 조각을 만들기 위해 사용된다.

디지털 중성자 이미징

열 중성자가 있는 디지털 중성자 영상을 촬영하는 몇 가지 과정이 존재하며 장단점이 다르다. 이러한 영상화 방법은 학계에서 널리 사용되는데, 그 이유는 부분적으로 다양한 장점을 제공할 뿐만 아니라 필름 프로세서와 어두운 방의 필요성을 피하기 때문이다. 또한 필름 영상은 전송 스캐너를 사용하여 디지털화할 수 있다.

중성자 카메라(DR 시스템)

중성자 카메라는 디지털 카메라 또는 유사한 검출기 배열 기반의 영상 시스템이다. 중성자는 이미징할 물체를 통과하면 섬광 스크린이 중성자를 가시광선으로 변환한다. 그런 다음 이 빛은 일부 광학 장치(카메라의 전리방사선 노출을 최소화하기 위해 사용됨)를 통과한 다음 CCD 카메라에 이미지를 캡처한다(CMOS와 CID를 포함한 여러 가지 다른 카메라 유형도 존재하며 유사한 결과를 생성함).

중성자 카메라는 실시간 영상(일반적으로 낮은 해상도로)을 허용하는데, 이는 불투명 파이프에서의 2상 유체 흐름, 연료 전지에서의 수소 거품 형성, 엔진에서의 윤활유 이동 등을 연구하는 데 유용하다는 것이 입증되었다. 이 영상 시스템은 로터리 테이블과 함께 3차원 영상(중성자 단층촬영)으로 재구성할 수 있는 다양한 각도에서 다수의 영상을 촬영할 수 있다.

얇은 섬광 스크린과 우수한 광학 장치를 결합하면, 이 시스템은 필름 이미징에 대한 노출 시간이 비슷한 고해상도 영상을 생성할 수 있지만, 일반적으로 영상 평면은 사용 가능한 CCD 카메라 칩의 픽셀 수를 고려할 때 작아야 한다.

이러한 시스템은 몇 가지 중요한 장점(실시간 영상촬영 수행 능력, 단순성 및 연구 애플리케이션, 잠재적으로 합리적으로 높은 해상도, 신속한 이미지 보기)을 제공하지만 카메라의 비활성 픽셀(방사선 노출로 인한 결과), 감마 민감도(t)를 비롯한 상당한 단점이 존재한다.그는 섬광 스크린(일반적으로 제거하기 위해 중간 필터링이 필요한 영상 아티팩트 생성), 시야 제한 및 높은 방사선 환경에서 카메라의 수명을 제한한다.

이미지 플레이트(CR 시스템)

X선 영상판은 플레이트 스캐너와 함께 사용하여 X선 영상이 시스템으로 생성되는 만큼 중성자 영상을 만들 수 있다. 중성자는 여전히 이미지 플레이트에 포착되기 위해 어떤 다른 형태의 방사선으로 변환되어야 한다. 후지에서는 짧은 기간 동안 플레이트에 컨버터 소재를 담은 중성자 감응 영상판을 제작해 외부 변환 소재로 가능한 것보다 뛰어난 해상도를 제공했다. 이미지 플레이트는 필름 이미징과 매우 유사한 프로세스를 제공하지만 이미지는 이미징 후 읽고 지우는 재사용 가능한 이미지 플레이트에 기록된다. 이러한 시스템은 스틸 이미지(정적 이미지)만 생성한다. 변환 화면과 X선 영상 플레이트를 사용하면 필름 영상보다 낮은 해상도의 영상을 생성하기 위해 비교할 수 있는 노출 시간이 필요하다. 임베디드 변환 소재를 가진 영상판은 외부 변환보다 좋은 영상을 만들어 내지만, 현재는 필름만큼 좋은 영상을 만들어내지 못하고 있다.

평면 패널 실리콘 검출기(DR 시스템)

CCD 이미징과 유사한 디지털 기법. 중성자 피폭은 검출기의 수명이 짧아서 다른 디지털 기법이 선호되는 접근법이 되었다.

마이크로 채널 플레이트(DR 시스템)

픽셀 크기가 매우 작은 디지털 검출기 어레이를 생산하는 신흥 방법. 이 장치는 이를 통해 작은 (마이크로미터) 채널을 가지며, 소스 쪽이 중성자 흡수 물질(일반적으로 가돌리늄 또는 붕소)로 코팅된다. 중성자 흡수 물질은 중성자를 흡수하여 전자를 자유롭게 하는 전리방사선으로 변환한다. 장치에 큰 전압이 인가되어, 작은 채널을 통해 가속된 후 디지털 검출기 어레이에 의해 검출되면서 자유 전자가 증폭된다.

참조

  1. ^ "ISNR Neutron Imaging Facilities around the World". ISNR International Society for Neutron Radiography and IAEA. Retrieved 2020-02-08.
  2. ^ Calzada, Elbio; Schillinger, Burkhard; Grünauer, Florian (2005). "Construction and assembly of the neutron radiography and tomography facility ANTARES at FRM II". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 542: 38–44. doi:10.1016/j.nima.2005.01.009.
  3. ^ Joyce, Malcolm J.; Agar, Stewart; Aspinall, Michael D.; Beaumont, Jonathan S.; Colley, Edmund; Colling, Miriam; Dykes, Joseph; Kardasopoulos, Phoevos; Mitton, Katie (2016). "Fast neutron tomography with real-time pulse-shape discrimination in organic scintillation detectors". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 834: 36–45. doi:10.1016/j.nima.2016.07.044.
  4. ^ Lehmann, Eberhard; Pleinert, Helena; Wiezel, Luzius (1996). "Design of a neutron radiography facility at the spallation source SINQ". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 377: 11–15. doi:10.1016/0168-9002(96)00106-4.
  5. ^ Andersson, P.; Valldor-Blücher, J.; Andersson Sundén, E.; Sjöstrand, H.; Jacobsson-Svärd, S. (2014). "Design and initial 1D radiography tests of the FANTOM mobile fast-neutron radiography and tomography system". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 756: 82–93. doi:10.1016/j.nima.2014.04.052.
  • 중성자 방사선 촬영 및 게이징의 실제 적용; 버거, 해럴드, ASTM