научная статья по теме НЕЙТРОННЫЙ ТОМОГРАФ НА РЕАКТОРЕ ИР-8 НИЦ КИ Физика

Текст научной статьи на тему «НЕЙТРОННЫЙ ТОМОГРАФ НА РЕАКТОРЕ ИР-8 НИЦ КИ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 5, с. 18-21

ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

УДК 539.1.06

НЕЙТРОННЫЙ ТОМОГРАФ НА РЕАКТОРЕ ИР-8 НИЦ КИ

© 2014 г. В. П. Глазков, А. А. Калоян, Е. С. Коваленко, К. М. Подурец, В. А. Соменков, Е. В. Яковенко

НИЦ "Курчатовский институт" Россия, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1 E-mail: Yakovenko_EV@nrcki.ru Поступила в редакцию 16.12.2013 г.

Описан трансмиссионный нейтронный томограф, созданный в НИЦ "Курчатовский институт". Томограф расположен на монохроматическом пучке 5-го горизонтального канала исследовательского реактора ИР-8. Длина волны нейтронного излучения 1.56 А, размеры поперечного сечения нейтронного пучка 50 х 40 мм2, поле зрения детектора на основе п.з.с.-матрицы 93 х 62 мм2, пространственное разрешение на образце ~400 мкм. Представлены результаты исследования внутреннего строения объектов различного происхождения.

DOI: 10.7868/S0032816214040168

1. ВВЕДЕНИЕ

Компьютерная нейтронная томография является мощным инструментом исследования внутренней макроструктуры объектов, изучение которых при помощи рентгеновского излучения затруднительно либо неинформативно. Метод нейтронной томографии применяется в самых разных областях науки и техники — от палеонтологии и геологии до неразрушающего контроля изделий высоких технологий. Нейтронные томографы созданы на нейтронных источниках в крупных исследовательских центрах США, Великобритании, Германии, Швейцарии и в ряде других стран1. О создании первого нейтронного томографа в РФ на реакторе Московского инженерно-физического института ранее сообщалось в работе [1]. В настоящей работе описан нейтронный томограф, созданный на исследовательском реакторе ИР-8 НИЦ "Курчатовский институт".

2. ОПИСАНИЕ НЕЙТРОННОГО ТОМОГРАФА

Для исследования объектов методом нейтронной томографии необходима установка, на которой можно было бы осуществлять пошаговое прецизионное вращение объекта, просвечиваемого пучком нейтронов, вокруг вертикальной оси с малым шагом по углу поворота и регистрировать изображение объекта в каждом угловом положении при помощи стационарного двухкоординат-ного нейтронного детектора. При томографиче-

1 Например, National Institute of Standards and Technology (США), McClellan Nuclear Research Center (США), ISIS/Ru-

therford Appleton Laboratory (Великобритания), Helmholtz Zentrum Berlin (Германия), Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (Германия), Paul Scherer Institute (Швейцария).

ской съемке объект должен повернуться на 180°, что при шаге поворота 0.5° означает регистрацию 360-ти изображений объекта. Очевидно, что проведение таких экспериментов должно быть полностью автоматизировано.

Автоматизированная установка нейтронной томографии была создана на 5-м горизонтальном канале исследовательского реактора ИР-8 в НИЦ КИ. Схема томографической установки представлена на рис. 1.

Монохроматический пучок нейтронов формируется расположенным в канале реактора коллиматором и отражением от кристалла Си (111). Пучок

Рис. 1. Схема автоматизированной установки нейтронной томографии. 1 — источник нейтронов; 2 — коллиматор; 3 — биологическая защита реактора и монохроматора; 4 — кристалл-монохроматор; 5 — монохроматический пучок нейтронов; 6 — образец; 7 — система позиционирования образца; 8 — п.з.с.-детек-тор; 9 — ловушка монохроматического пучка нейтронов; 10 — управляющий компьютер.

характеризуется длиной волны 1.56 А, поперечным сечением 40 х 50 мм2 и расходимостью менее 0.5° в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Пучок проходит через объект, расположенный на дистанционно управляемой системе позиционирования. Прошедшее через образец излучение регистрируется детектором.

Система позиционирования образца состоит из гониометра с вертикальной осью вращения и устройства наклона, предназначенного для юстировки этой оси. Моторизованный гониометр имеет следующие характеристики: диапазон углов вращения 360°, разрешение на полный шаг 0.6', максимальная скорость вращения 8 оборотов/мин, максимальная нагрузка (вертикальная) 10 кг. Расстояние между осью вращения и детектором составляет 30—50 мм.

Двухкоординатный детектор состоит из сцин-тилляционного экрана на основе смеси ZnS(Ag) и 6LiF толщиной 200 мкм с сильно поглощающим нейтроны изотопом лития, зеркала, объектива и охлаждаемой с помощью элемента Пельтье п.з.с.-матрицы размером 4004 х 2671 пиксель. Объектив создает уменьшенное изображение сцинтилляци-онного экрана на п.з.с.-матрице, размер п.з.с-пикселя соответствует области 23.2 мкм на сцин-тилляционном экране, поле зрения детектора составляет 93 х 62 мм. Динамический диапазон детектора составляет 12 бит в пикселе. Достоинством детектора является его нечувствительность к фоновому у-излучению реактора. Фотография томографической установки представлена на рис. 2.

Гониометр и детектор подключены к управляющему компьютеру, находящемуся вне экспериментального зала реактора. Управление процессом томографической съемки осуществлялось при помощи программы автоматизации [2], симулирующей работу оператора путем поочередного обращения к программам задания углового положения объекта и экспонирования с последующей записью результата в память управляющего компьютера.

Отладка томографа заключалась в том, чтобы установить вертикальную ось вращения гониометра параллельно как плоскости детектора, так и вертикальному ряду пикселей детектора. Выполнение этого условия необходимо для того, чтобы при вращении объекта вокруг оси гониометра его изображение не смещалось по вертикали; в противном случае восстановление томографических срезов и трехмерной модели объекта будет невозможно. Проверка параллельности осуществлялась путем сравнения вертикальных координат изображения сильно поглощающего малого объекта, далеко расположенного от оси вращения, при двух угловых положениях объекта, отличающихся на 180°. Ось вращения считалась хорошо выставленной, когда вертикальные координаты

Рис. 2. Фотография томографической установки на нейтронном пучке. 1 — корпус детектора; 2 — ось нейтронного пучка; 3 — образец; 4 — моторизованный гониометр; 5 — ловушка нейтронного пучка.

малого объекта в двух угловых положениях совпадали в пределах 5 пикселей.

Пространственное разрешение томографа определялось по ширине изображения края кадмиевого экрана, расположенного на оси вращения образца, и составило 400 мкм, что говорит о преобладающем вкладе геометрической нерезкости по сравнению с собственным разрешением экрана.

3. ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ И ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЙ

Измерения проводились с максимально возможной экспозицией, при которой не происходит переполнения пикселей при регистрации прямого пучка без образца, что при мощности реактора 6 МВт составляло 120 с. Таким образом, продолжительность съемки одного образца была 12.5 ч. В процессе регистрации на изображение объекта накладываются шумы и неоднородности различного происхождения, как-то: неоднородность самого нейтронного пучка, фоновое излучение, присутствующее в экспериментальном зале реактора, а также неоднородности сцинтилля-ционного экрана. Все эти факторы учитывались при первичной обработке изображений, заключавшейся в очистке от шумов путем вычитания из каждого кадра изображения объекта фоновой засветки детектора (при перекрытом нейтронном

20

ГЛАЗКОВ и др.

пучке) и последующей нормировке (делении) изображения объекта на изображение падающего пучка, зарегистрированное в отсутствие объекта.

Восстановление виртуальных томографических срезов по проекциям выполнялось методом свертки и обратного проецирования [3] с помощью программы ImageJ [4]. На томографических срезах, как правило, наблюдались кольцевые артефакты, связанные с дефектами экрана. Для создания трехмерных моделей объектов использовалась программа 3D-DOCTOR [5].

4. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА НЕЙТРОННОЙ ТОМОГРАФИИ ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ОБЪЕКТОВ

Нейтронный томограф применяется для исследования объектов различного происхождения. Так, были продемонстрированы преимущества нейтронной томографии для исследования палеонтологических объектов [6]. В качестве минерального объекта можно привести пример кристалла граната в слюде (пос. Кителя, Карелия), томографический срез которого показан на рис. 3. Кристалл на томографическом срезе выделяется своей равномерной структурой на фоне неоднородной матрицы. Обращает на себя внимание сильно поглощающий контур вокруг кристалла, возникший, по-видимому, за счет сегрегации во-дородсодержащих примесей при росте кристалла. На рис. 4 представлена трехмерная модель биоминерального объекта — раковины моллюска. Хорошо видны стенки раковины, образующие характерную спиралевидную структуру.

Лопатки газотурбинных двигателей исследуются различными неразрушающими методами, в том числе с применением тепловых нейтронов [7]. С по-

Рис. 4. Трехмерная модель раковины моллюска.

мощью описываемой установки были проведены томографические съемки лопатки (рис. 5). Как видим, томография позволяет выявить строение внутренних каналов лопатки, определить их размеры, обнаружить дефекты, в частности, не полностью удаленную керамическую форму.

В последнее время становится актуальным развитие технологии производства токонесущих

| 1 см |

Рис. 5. Трехмерная модель турбинной лопатки.

Рис. 6. Томографические срезы керамических лазерных мишеней УВа2С^07 _ х: а — однородная мишень; б — мишень с точечными включениями; в — мишень с единичным включением и слабоконтрастным дискообразным уплотнением в центральной области.

элементов из высокотемпературных сверхпроводников. Высокотемпературные сверхпроводники (в.т.с.п.) второго поколения представляют собой гибкие металлические ленты с нанесенным на них методом лазерного распыления тонким (1—3 мкм) слоем в.т.с.п.-керамики. Мишенями для лазерного распыления служат массивные прямо -угольные пластины или цилиндрические таблетки из спеченной керамики с линейными размерами несколько десятков миллиметров. Для получения высококачественного слоя в.т.с.п. необходимы мишени с высокой степенью однородности, нераз-рушающий контроль которой может быть осуществлен методом нейтронной томографии.

На созданно

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.

Показать целиком