1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования
  4. № 9, 2019

Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2019, № 9, стр. 100-102

Концепция установки нейтронной радиографии и томографии на исследовательском реакторе ВВР-К в г. Алматы, Казахстан

Б. Мухаметулы 1, 2, 3, *, С. Е. Кичанов 2, Е. А. Кенжин 1, Д. П. Козленко 2, К. М. Назаров 2, 4, **, А. А. Шаймерденов 1, Е. Базарбаев 3, Е. В. Лукин 2

1 Институт ядерной физики Министерства энергетики Республики Казахстан
050032 Алматы, Казахстан

2 Объединенный институт ядерных исследований
141980 Дубна, Россия

3 Казахский Национальный Университет имени аль-Фараби
050040 Алматы, Казахстан

4 Евразийский Национальный Университет имени Л.Н. Гумилева
010008 Астана, Казахстан

* E-mail: bagdaulet_m@mail.ru
** E-mail: knazarov@jinr.ru

Поступила в редакцию 29.12.2018
После доработки 30.01.2019
Принята к публикации 18.02.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

На исследовательском реакторе ВВР-К (Институт ядерной физики Министерства энергетики, г. Алматы, Казахстан) начались работы по созданию новой экспериментальной установки для проведения исследований с помощью метода нейтронной радиографии и томографии. Планируется с помощью вакуумированной системы коллиматоров сформировать нейтронный пучок сечением 200 × 200 мм с характеристическим параметром L/D, равным 130. Для получения нейтронных радиографических изображений будет использоваться специально разработанная детекторная система на основе сцинтилляционного экрана 6LiF/ZnS с высокочувствительной видеокамерой высокого разрешения с поворотным зеркалом. Для защиты видеокамеры от радиационного излучения предлагается использовать двухзеркальную оптическую систему. В представленной работе приводятся принципиальная схема и описание основных узлов создаваемой экспериментальной установки.

Ключевые слова: исследовательский реактор ВВР-К, экспериментальная установка, нейтронная радиография, томография, технические параметры, детекторная система, камера высокого разрешения.

ВВЕДЕНИЕ

Методы нейтронной радиографии и томографии [1] относится к группе методов неразрушающего контроля и находят все больше применений в прикладных исследованиях в различных научных областях: материаловедении [2], ядерных технологиях [3], палеонтологии [4], геофизике [5, 6], исследовании объектов культурного наследия [7] и др. Из-за разной степени ослабления интенсивности нейтронного пучка при прохождении через материалы различного химического состава или плотности нейтронные радиографические изображения содержат структурную информацию о структуре исследуемых материалов с пространственным разрешением на микронном уровне [8]. С помощью метода нейтронной томографии из набора отдельных радиографических проекций, полученных при различных угловых положениях образца относительно направления нейтронного пучка, восстанавливается трехмерное или объемное распределение коэффициента ослабления нейтронного пучка в исследуемом материале [9].

Так как методы нейтронной радиографии и томографии обладают высокой научной ценностью и уникальными возможностям прикладных исследований, многие источники нейтронов оснащаются специальными установками для с целью реализации этих методов [10]. В настоящее время в Институте ядерной физики (г. Алматы, Казахстан) функционирует исследовательский атомный реактор ВВР-K, на котором проводятся фундаментальные ядерно-физические и материаловедческие исследования, производство радиоизотопов для медицины и промышленности. Технические характеристики этого реактора полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к нейтронному источнику, для создания установки для нейтронной радиографии и томографии. Недавно начались совместные работы с Объединенным институтом ядерных исследований (г. Дубна, Россия) по созданию новой современной установки для исследований с помощью нейтронной радиографии и томографии на реакторе ВВР-K. В работе представлена концепция и принципиальная схема этой установки, приводятся ее ожидаемые технические характеристики.

СХЕМАТИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ И ОЖИДАЕМЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ С ПОМОЩЬЮ НЕЙТРОННОЙ РАДИОГРАФИИ И ТОМОГРАФИИ

Новая установка для исследования методом нейтронной радиографии и томографии будет располагаться на первом канале реактора ВВР-K. Установка окружена бетонной защитой для подавления радиации при проведении экспериментов. Предлагаемая схема создаваемой установки для исследований с помощью метода нейтронной радиографии и томографии представлена на рис. 1.

Рис. 1.

Схема основных узлов установки для исследований с помощью нейтронной радиографии и томографии на 1-ом канале реактора ВВР-K: 1 –выход экспериментального канала № 1, как источник нейтронов; 2 – вакуумированный кожух системы коллиматоров, формирующих нейтронный пучок; 3 – место расположения детекторной системы и поворотных гониометров для нейтронных томографических экспериментов; 4 – входная дверь с замком, блокирующимся при открытом нейтронном канале.

Пространственное разрешение радиографических установок, а значит и качество получаемых нейтронных изображений, зависят от характеристического параметра L/D, который определяется отношением расстояния L между входной апертурой коллиматорной системы и положением исследуемого образца к диаметру входной апертуры коллиматоров D. Нейтронный пучок будет формироваться с помощью системы коллиматоров. В существующей геометрии экспериментального канала № 1 реактора ВВР-K, максимальная длина L для установки нейтронной радиографии и томографии составляет 6500 мм, а диаметр входного отверстия коллиматора D равен 50 мм, что соответствует значению L/D = 130. Система коллиматоров помещена в вакуумированный кожух для уменьшения потерь в интенсивности из-за рассеяния нейтронов на воздухе.

Поток тепловых нейтронов, измеренный с помощью метода активации золотых фольг, на выходе канала № 1 составляет 4.5(4) × 108 н/см2/с, а в позиции образца Ф ~ 1.4(3) × 108 н/см2/с.

Для детектирования нейтронных изображении предлагается использовать специальный детектор на двухзеркальной оптической схеме для уменьшения нежелательного фона от перерассеянных нейтронов. Фотография уже изготовленной детекторной системы для новой установки для нейтронной радиографии и томографии представлена на рис. 2. Изображение прошедшего через исследуемый объект нейтронного пучка трансформируется в видимый сигнал с помощью сцинтилляционной пластины соответствующих размеров на основе 6LiF/ZnS. Планируется приобрести сцинтилляторы производства фирмы RC TRITEC Ltd (Швейцария) с толщиной пластины 100 мкм. Такая толщина обеспечит оптимальное соотношение эффективности детекторной системы и достигаемым в эксперименте пространственным разрешением. Световой сигнал от сцинтиллятора отражаясь от двух поворотных зеркал фокусируется объективом с переменным фокусным расстоянием TAMRON AF 70–300-мм на CCD-матрицу видеокамеры. Оптическая система объектива обеспечивает перенос изображения объекта от плоскости сцинтилляционного экрана с размерами от 50 × 50 мм до 200 × 200 мм в плоскость светочувствительных элементов CCD-камеры. Планируется использовать высокочувствительную видеокамеру на основе матрицы Hamamatsu с разрешением 2048 × 2048 пикселей, изготавливаемый по технологии Back-thinned, при этом квантовая эффективность на длине волны 650 нм составляет не менее 85%. Охлаждение сенсора должно осуществляться встроенным термоэлектрическим элементом Пельтье с принудительным воздушным охлаждением. Все оптические элементы данного детектора находятся в светозащитном кожухе, который обеспечивает дополнительную защиту от рентгеновского излучения.

Рис. 2.

Фотография детекторной системы для установки нейтронной радиографии и томографии реактора ВВР-K. Цифрами обозначены основные компоненты детектора: 1 – цифровая видеокамера высокого разрешения на основе CCD матрицы Hamamatsu с воздушным охлаждением; 2 − объектив с переменным фокусным расстоянием TAMRON с пьезодвигателями для удаленного управления фокусом оптической системы; 3 – механическая система юстировки двух поворотных зеркал; 4 − место крепления пластины сцинтиллятора.

Проведение томографических экспериментов будет обеспечиваться системой гониометров на основе гониометрических головок HUBER с минимальным углом поворота до 0.02°. Программа управления видеокамерой и накопления нейтронных радиографических данных будет иметь общий интерфейс с программой управления гониометрами, что позволит проводить нейтронные томографических эксперименты в полностью автоматическом режиме.

Для обработки получаемых нейтронных изображений будет привлекаться свободно распространяемый программный пакет ImageJ [11]. Томографическая реконструкция исследуемых объектов будет осуществляется программным комплексом H-PITRE [12]. Для визуализации и анализа получаемых трехмерных данных будет использоваться программный пакет VG Studio MAX 2.2 фирмы Volume Graphics (Heidelberg, Germany) и специальные плагины для Image J [13, 14].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В статье представлено детальное описание и характеристики новой экспериментальной установки для нейтронной радиографии и томографии, создаваемой на исследовательском реакторе ВВР-К в г. Алматы, Казахстан. Предполагаемые технические параметры установки позволят проводить нейтронные радиографические и томографические эксперименты с широким кругом исследуемых объектов на высоком уровне пространственного разрешения и времени экспозиции.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы благодарны Г.М. Айданову за выполнение проектно-конструкторских работ по разработке некоторых узлов установки и ее размещению в экспериментальном зале реактора ВВР-К.

Список литературы

  1. Anderson I.S., McGreevy R.L., Bilheux H.Z. (Eds.). Neutron Imaging and Applications: A Reference for the Imaging Community. N.Y.: Springer, 2009. P. 341.

  2. Lehmann E.H., Kaestner A., Gruenzweig C., Mannes D., Vontobel P., Peetermans S. // International J. Materials Research. 2014. V. 105. P. 664.

  3. De Beer F.C. // The Southern African Institute of Mining and Metallurg. 2015. V. 115. P. 913.

  4. Калоян А.А., Коваленко Е.С., Пахневич А.В., Подурец К.М., Рожнов С.В., Соменков В.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2014. № 11. С. 5.

  5. Perfect E. et al. // Earth-Science Rev. 2014. V. 129. P. 120.

  6. Kichanov S.E., Kozlenko D.P., Ivankina T.I., Rutkauskas A.V., Lukin E.V., Savenko B.N. // Physics Procedia. 2015. V. 69. P. 537.

  7. Kichanov S., Saprykina I., Kozlenko D., Nazarov K., Lukin E., Rutkauskas A., Savenko B. // J. Imaging. 2018. V. 4(2). P. 25.

  8. Janssens K., Van Grieken R. Non-Destructive Micro Analysis of Cultural Heritage Materials. 1 edition. Imprint: Elsevier Science, 2005. P. 828.

  9. Vontobel P., Lehmann E.H., Hassanein R., Frei G. // Physica B: Condensed Matter. 2006. V. 385–386. Part 1. P. 475.

  10. Lehmann E.H. Neutron Imaging Facilities in a Global Context. // J. Imaging. 2017. V. 3(4). P. 52.

  11. Schneider C.A., Rasband W.S., Eliceiri K.W. // Nature Methods. 2012. V. 9. № 7. P. 671.

  12. Chen R.C., Dreossi D., Mancini L., Menk R., Rigon L., Xiao T.Q., Longo R. // J. Synchrotron Radiation. 2012. V. 19. P. 836.

  13. Ollion J., Cochennec J., Loll F., Escude C., Boudier T. // Bioinformatics. 2013. V. 29. P. 1840.

  14. Dougherty R.P., Kunzelmann K.-H. // Microscopy and Microanalysis. 2007. V. 13. P. 1678.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал