ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, № 11, с. 5-11
УДК 539.1.06
СИНХРОТРОННАЯ И нейтронная томография ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАЛЕОНТОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
© 2014 г. А. А. Калоян1, Е. С. Коваленко1, А. В. Пахневич2, К. М. Подурец1 *,
С. В. Рожнов2, В. А. Соменков1
1НИЦ "Курчатовский институт", 123182Москва, Россия E-mail: kovalenko-es@mail.ru 2Палеонтологический институт им. А.А. Борисяка РАН, 117647Москва, Россия *E-mail: Podurets_KM@nrcki.ru Поступила в редакцию 20.01.2014 г.
Рентгеновская микротомография применяется для изучения внутреннего строения палеонтологических объектов, однако имеются недостатки метода, значительно ограничивающие результативность исследований. Поэтому в данной работе для исследования внутреннего строения палеонтологических объектов применены методы томографии на тепловых нейтронах и синхротронном излучении. Показано, что нейтронная томография позволяет различать минералы и породы, близкие по поглощению рентгеновского излучения. Рефракционная томография на синхротронном излучении позволяет выявить структуры, неразличимые для стандартного метода. На примерах некоторых палеонтологических объектов продемонстрированы преимущества томографии с использованием синхротронного излучения и тепловых нейтронов. Обсуждается перспективность нейтронно-син-хротронных методов для палеонтологии.
DOI: 10.7868/S0207352814080034
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы важным методом изучения внутреннего строения палеонтологических объектов стала рентгеновская томография и микротомография [1—3]. Эти методы имеют большое значение для исследования редких и хрупких образцов, а также типовых экземпляров, разрушение которых недопустимо. В ходе исследований были установлены ограничения метода, связанные, во-первых, с недостаточным контрастом, так как в составе ископаемых объектов вымершей флоры и фауны часто содержатся минералы, близкие по поглощению рентгеновских лучей [4], а во-вторых, с размерами и толщиной объекта из-за недостаточной глубины проникновения рентгеновского излучения. Вследствие этих обстоятельств с помощью рентгеновской микротомографии информация о внутреннем строении палеонтологических объектов извлекается не более чем в 70% случаев. Из них только 6% результатов отражают полную картину, в остальных экспериментах получаются только частичные данные [5]. В то же время применение нейтронных и синхро-тронных источников проникающего излучения делает актуальным развитие томографических методов для этих видов излучения и их использо-
вание в новых областях исследования, таких как палеонтология. Нейтроны имеют другую природу взаимодействия с веществом по сравнению с рентгеновскими лучами, что определяет их большую проникающую способность и свойство различать компоненты, не различимые для рентгеновских лучей [6]. Это происходит потому, что зависимость коэффициента поглощения нейтронов от атомного номера элемента, в отличие от рентгеновского излучения, имеет нерегулярный характер (рис. 1). Синхротронное излучение имеет высокую коллимацию, большую яркость и широкий энергетический спектр. Метод рефракционного контраста в интроскопии и томографии, реализуемый как на нейтронах, так и на синхротронном излучении [7, 8], позволяет различить элементы строения объектов, не различимые в стандартном просвечивании, потому что рефракционный контраст формируется за счет преломления пучка на границах раздела в объекте и регистрируется за счет применения дифракции излучения на совершенных кристаллах. В связи с этим целью данной работы является исследование возможностей, связанных с применением синхротронного и нейтронного излучения для томографии палеонтологических объектов.
1000 Е
100
10
:н
0.1
0.01
в
- •
Ве
н2о
Li
I» *
%
ЕНе
Gd
Cd
• Ей
Оу
N
С
- V/
С1
8е
Со Ni
Rh
1п
Ри < •
Кг ..«■
а......
А8
AГsiSAГ
Са
Сг
Вг 8г
г- *л* -
Gaф А
Хе Сз
Ег
_НГ
Nd
Яе Аи
_Мо«
• • в2^ * • Pd
— —и _ •
2п Ge ЯЬ
Y
Nb
Яи
8Ь I •И
Те
8п
• Рг
То .Тш IЬи • • • Но «УЬ
Taw • W Pt
Ва
Се
Т1 •РЬ
Ра"
ио2
и
Bi
• •
Яа^*
20
40 60
Атомный номер
80
100
Рис. 1. Зависимость массового коэффициента поглощения для нейтронов (точки) и рентгеновских лучей (пунктирная кривая) от атомного номера элемента.
1г
1
0
МЕТОДИКА И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В Национальном исследовательском центре "Курчатовский институт" функционируют Курчатовский источник синхротронного излучения и исследовательский реактор ИР-8, являющийся источником тепловых нейтронов. В данной работе были использованы экспериментальные син-хротронные станции "ЛИГА" и "МЕДИАНА" и нейтронно-оптический комплекс "НОКАУТ". Для контроля и сравнения использовался лабораторный микротомограф 8кузеап 1172 (ПИН РАН).
Пучки синхротронного излучения, генерируемые поворотными магнитами источника, имеют широкое спектральное распределение (так называемое "белое" излучение) с максимумом около 13 кэВ, а его высокоэнергетическая часть распространяется до значений 80 кэВ и больше, быстро спадая в этом диапазоне. На станции "ЛИГА" используется только "белое" излучение с медным фильтром толщиной 1.5 мм, формирующим пучок со спектром, имеющим максимум около 60 кэВ. Вследствие малой (3 мм) высоты пучка эксперимент проводился путем последовательной съемки слоев, по высоте соответствующих высоте пучка, с последующим смещением объекта по вертикали. Время съемки одного слоя составляло 15 мин. На станции "МЕДИАНА" проводились эксперименты по рефракционной томографии [9]. Максимальная энергия излучения, применяемого в рефракционной съемке, составляла 35 кэВ, использовались кристаллы кремния в отражении 440, асимметричное для монохроматора и
симметричное для анализатора, что позволило увеличить вертикальные размеры пучка с 3 мм до 3 см. Время съемки всех проекций в рефракционной томографии составляло около 10 ч. На установке для нейтронной томографии использовался монохроматический пучок нейтронов с длиной волны X = 1.56 А; время съемки составляло 12 ч. Проекции во всех случаях регистрируются двухкоор-динатными детекторами на базе сцинтилляторов (Сз1 и Gd2O2S для синхротронного излучения, 6ОР + для нейтронов) и ПЗС-камер, пространственное разрешение варьируется от 10 до 300 мкм для синхротронного излучения в зависимости от сцинтиллятора и объектива и составляет 400 мкм для нейтронов. Поле зрения для рефракционной съемки составляло 3 х 3 см, для белого пучка синхротронного излучения с учетом вертикального сканирования — 8 х 10 см, для нейтронов — 4 х 5 см. Как правило, съемка заключается в регистрации 360 проекций с шагом 0.5°, пустого пучка и темно-вого тока детектора. Первичная обработка проекций (очистка от шума, учет фона и неоднородно-стей пучка, нормировка, сшивка слоев по высоте), а также восстановление срезов по проекциям методом свертки и обратного проецирования выполняется с помощью макросов программы ImageJ [10]. Съемка объектов на лабораторном микротомографе Skyscan 1172 проводилась при следующих параметрах: напряжение 100 кВ, ток 96 мкА, размер пиксела 34.1 мкм, толщина А1-фильтра 1 мм, шаг по углу 0.7°. Восстановление виртуальных
СИНХРОТРОННАЯ И нейтронная томография
Лабрадор
Корунд
Гипс
Ортоклаз
Хризоберилл
Мусковит
Амазонит
Контрастность
Ац_/V
7Г
Магнезит
Кварц
Опал
Глина
Аквамарин
Сподумен
Кальцит
Арагонит
Фосфорит
Сера
Галит
Оливин
Доломит
ту
Апатит Флюорит
Гематит
Родохрозит
Галенит
Марказит
Целестин
Смитсонит
Церрусит
Гетит
Пиролюзит Рутил
Сидерит Барит Сфалерит Пирит
Стронцианит
Касситерит
Малахит
Лимонит
Тодорокит
7
Рис. 2. Шкала рентгеновской контрастности минералов и горных пород.
срезов выполнялось с помощью программы NRe-соп [11].
Для демонстрации отличий контраста в нейтронной и рентгеновской томографии были проведены съемки образцов следующих минералов и горных пород: апатит Са5[Р04]3(ДС1,0Н) (Слю-дянка, Прибайкалье), галит №С1 (Соликамское месторождение, Пермская область), гематит Fe2O3 (Марокко), гипс Са804 • 2Н20 (Ульяновск), глина (Республика Карелия, берег Белого моря, ББС МГУ), кальцит СаС03 (Тура, Сибирь), кварц 8Ю2 (Предуралье, пик Пирамида), корунд А1203 (Карелия), пирит FeS2 (Гуйжоу, Китай), сера самородная 8 (Водинское месторождение, Среднее Поволжье), сфалерит ZnS (Забайкалье), флюорит CaF2 (Шанграо, Китай). Образцы имели характерный размер около 1 см. Для демонстрации преимуществ синхротронной и нейтронной томографии выбраны объекты, обладающие выраженной внутренней структурой, наблюдение которой ранее вызывало затруднения. Исследованы следующие палеонтологические объекты: брахио-пода Каптозрт/вг кативши ^^аге^ 1943) (отложения верхней перми, уржумского яруса, полуострова Канин, экземпляр ПИН РАН 4900/79), бра-хиопода СуШзрт/вг гыёк1пвт1з Ь|а8^епко, 1959 (отложения верхнего девона, среднего франско-го подъяруса Воронежской области, из окрестностей д. Рудкино), представители иглокожих — морская лилия ШзШаегтт 8р. (из отложений
верхнего ордовика Эстонии, экземпляр ПИН РАН) и Ш1р1йосу5И5 8р. (из отложений среднего ордовика, волховского горизонта, Ленинградской области, Ладожского глинта, экземпляр ПИН РАН).
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Ранее была построена шкала контрастности минералов и горных пород, встречающихся либо в составе окаменелостей, либо в окружающей их породе [4]. Образцы были разделены на 10 групп контрастности, внутри которых различение их по томографическим данным практически невозможно (рис. 2). В данной работе, аналогично [4], были проведены нейтронные томографические съемки, в каждой из которых объект представлял собой находящиеся рядом два или три образца минералов, принадлежащих одной и той же рентгеновской группе контрастности. Получены томографические сечения образцов, по которым можно визуально сравнивать контрастность изображения разных минералов (рис. 3).
Все выбранные минералы, неразличимые на рентгеновском излучении, хорошо различимы на нейтронах. Во-первых, как и следовало ожидать, наиболее контрастными для нейтронов являются водородсодержащие вещества, такие как глина и гипс, в химический состав которых входит кристаллизационна
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.