Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2019, № 9, стр. 93-99

Двойной монохроматор

Двойной монохроматор служит для вывода монохроматического пучка нейтронов нужной длины волны. Двойной монохроматор состоит из двух одинаковых кристаллов-монохроматоров, установленных параллельно друг другу так, что дважды отраженный монохроматический пучок нейтронов от первого и второго кристаллов выходит параллельно падающему пучку (оси канала). Кристаллы-монохроматоры установлены на гониометрических головках, которые при изменении длины волны перемещаются параллельно оси канала на линейных трансляторах и поворачивают оба кристалла так, чтобы обеспечить нужный угол Ɵ между осью прямого пучка и отражающей плоскостью кристалла. Угол Ɵ однозначно связан с длиной волны нейтронов. В любом положении головок кристаллы параллельны друг другу. Поэтому, в отличие от однокристального монохроматора, при изменении длины волны нейтронов направление монохроматического пучка сохраняется, и нет необходимости в перемещении прибора [4].

Блок управления монохроматором состоит из 10 контроллеров типа OSM 42, установленных в каркасе 3U 19″, общего блока питания DRP-240-24 и преобразователя интерфейсов USB/RS-485 типа АС-4. Связь с управляющим компьютером RMatic-415 осуществляется через линию связи на основе интерфейса RS-485 по протоколу ModbusRTU.

Высокоточный стол перемещения образца

Стол образца представляет 7-осевой мехатронный силовой модуль для высокоточного перемещения исследуемого образца и детектора относительно пучка нейтронов. Управление полностью автоматизировано и сопряжено с блоками детектора, двойного монохроматора и компьютера сбора данных. Программно-аппаратная часть спроектирована так, что можно задавать параметры экспериментов и программы любых экспериментов под конкретную задачу.

На рис. 2 показаны все доступные перемещения стола образца.

Рис. 2.

Расположение осей стола образца.

Краткие характеристики стола образца: количество управляемых перемещений и поворотов – 7, количество одновременных перемещений до 6, угловая точность гониометра (большого поворотного стола) ±0.01°, диапазон перемещения по оси Х – 900 мм, по оси Y – 180 мм, по оси Z – 160 мм, Точность позиционирования ортогональных координат ±0.02 мм, полный угол поворота гониометра составляет 206°, габаритные размеры равняются 1000 × 900 × 800 мм, вес ≈ 600 кг.

Дополнительное оборудование

Специальный нейтронопрозрачный и γ-поглощающий контейнер для радиоактивных и облученных образцов.

Материаловедение

На образцах ферритной и аустенитной сталей с использованием моды двойного монохроматора установлен эффект обращения дифракционного контраста в зависимости от длины волны и кристаллической структуры объекта. Расчеты показывают, что при изменении длины волны от 2.27 до 2.39 Å контраст между ферритной и аустенитной сталью должен изменяться на обратный, как это имеет место в эксперименте (рис. 3). Подобная ситуация наблюдается и в других случаях, в том числе на фильтрованном излучении.

Рис. 3.

Зависимость пропускания нейтронов от длины волны для ферритной и аустенитной стали.

Проведены эксперименты по изучению однородности сверхпроводника YBCO. Как видно из 3D-реконструкции образца (рис. 4) с помощью методов неразрушающего контроля отчетливо выявляются неоднородности в монокристалле.

Рис. 4.

3D-реконструкция образца YBCO (диаметр – 35 мм, толщина – 10 мм).

Внутренняя структура турбинных лопаток, применяемых для различных авиационных двигателей, показана на рис. 5. С помощью радиационной томографии могут быть выявлены специфические дефекты типа “забивки” охлаждающих каналов или включений другой ориентации.

Рис. 5.

Восстановленные томографические срезы внутренней структуры лопатки газотурбинного двигателя.

Совместно с МИРЭА – Российским технологическим университетом (MIREA ‒ Russian Technological University) изучались дефекты в изделиях на примере сварных швов в сталях фирмы Sonaspection. Были обнаружены разнообразные типы дефектов, в частности, микро- и макропористость, непроваренность, бугристость, трещины и включения.

Таким образом, методы радиационной диагностики, реализованные на установке “ДРАКОН” могут быть использованы для неразрушающего контроля материалов и изделий высоких технологий.

Палеонтология

Обычно в палеонтологии для изучения внутреннего строения объекта используют трудоемкий метод пришлифовок или метод рентгеновской томографии пригодный только для достаточно тонких образцов. Нейтронные и гамма лучевые методы не имеют таких ограничений. Их возможности проиллюстрированы при изучении зуба мамонта. Как видно из рис. 6, отчетливо выделяются каналы и другие особенности строения. Изучены также трилобиты (США, штат Юта), а также раковины морских животных (Крым).

Рис. 6.

Восстановленные срезы зуба мамонта.

Археология и предметы культурного наследия

Обычно об этих объектах судят главным образом по их внешней форме, в то время как радиационная диагностика позволяет судить о внутреннем строении объекта. В связи с этим большой интерес представляют энколпионы (предметы личного благочестия), представляющие собой двустворчатые отливки, между которыми находится реликварий с реликвиями. Были изучены закрытые энколпионы и установлено место и форма реликвария (рис. 7, сверху). Изучались также музейные объекты, в частности, Статуя Иоанна Крестителя работы Донателло (ок. 1386–1466 гг.) из фондов ГМИИ им. А.С. Пушкина (рис. 7, внизу, слева). Обращают на себя внимание большие внешние размеры фигуры. Получить радиографические изображения образца таких размеров другими методами затруднительно.

Рис. 7.

Сверху – восстановленные томографические срезы образца энколпион в трех проекциях: снизу – радиографические изображения статуи Иоанна Крестителя (работа Донателло).

Медицина

Проведены исследования костей человека и животных. В некоторых образцах человеческих костей обнаружены патологические изменения, выявляемые на радиограммах и томографических проекциях (рис. 8). Природа этих изменений может быть установлена с помощью других методов радиационной диагностики, имеющихся на реакторе, в частности, методом нейтронно-радиационного анализа.

Рис. 8.

Восстановленные томографические срезы образца человеческой кости (слева направо – вид спереди, вид сверху, вид сбоку).

Помимо нейтронных экспериментов проверены эксперименты по гамма-лучевой диагностики. Определены спектры гамма-излучения на работающем и остановленном реакторах и эксперименты на некоторых образцах, изученных нейтронными методами. Показано, что получаемая информация имеет взаимодополняющий характер.