Képalkotás neutronokkal (radiográfia és tomográfia)

MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Budapest (MTA EK)

Képalkotás neutronokkal (radiográfia és tomográfia) Kis Z., Szentmiklósi L., Belgya T., Révay Zs. MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Magyar Tudományos Akadémia, Budapest

NIPS-NORMA @ Budapesti Kutatóreaktor (BKR) MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Budapest (MTA EK)

2 /16 reaktorcsarnok

neutronvezető csarnok

A – mintakamra B – mozgatóasztal C – neutronradiográf/tomográf D – HPGe-BGO gamma detektor

NIPS—NORMA BERENDEZÉS

NIPS – Neutron induced prompt gamma-ray spectrometry (NIPS)

C D

NORMA – Neutron Optics and Radiography for Material Analysis

A NIPS–NORMA berendezés 2012 januárja óta működik.

A

B

A felújított PGAA és NIPS–NORMA mérőhely MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Budapest (MTA EK)

3 /16

NIPS– NORMA

PGAA

Neutronnyaláb a NIPS–NORMA berendezésnél

TÉRBELI ELOSZLÁSA 1.48E+07

1.05E+07

9.96E+06

1.0 dn/dE (rel. egység)

A NEUTRONNYALÁB FLUXUSÁNAK

Neutronenergia spektrum

0.8

0.6 0.4 0.2

Energia (meV)

0.0 0

5

10 15 20 25 30 35 40 45 50

1.0

2.70E+07

1.98E+07

48 MM A FLUXUS ÉRTÉKEK

MÉRÉSE

AU-FÓLIÁK AKTIVÁLÁSÁVAL TÖRTÉNT (ÖT HOMÁLYOS FOLT A KÉPEN). MÉRTÉKEGYSÉG: N.CM-2.SEC-1.

dn/d (rel. egység)

48 MM

MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Budapest (MTA EK)

4 /16

Neutronhullámhossz spektrum

0.8 0.6 0.4 0.2

Hullámhossz (Å)

0.0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11

Egy idealizált radiográfiai rendszer alapelemei MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Budapest (MTA EK)

5 /16

Neutron fluxus

Látható fény

Szürkeérték

d

ld

L ld  D d Nagyobb L/D arány jobb felbontás jelent a képen.

Mennyire közelíti a nyalábgeometria az ideálisnak tekintett pontforrás geometriát?

Radiográfiai rendszer + neutronvezető MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Budapest (MTA EK)

6 /16

Neutronvezető

Repülési cső

Az L/D érték számítása változik neutronvezető esetén.

Neutronkollimátorok a repülési csőben.

Minta + Radiográf

D L Nyalábdivergencia ~ teljes visszaverődés szöge (γc) :

L 1  D tan2 c   Energiafüggő!

Első kollimátor: L/D növelése kisebb fluxus

További koll.: látómező alakítás

A neutronok elérik a szcintillátor ernyőt (ZnS(Ag)/6LiF 2:1 keverék)

Fényzáró ház + optikai rendszer: tükör 45°-ban

Konverzió látható fénnyé Chip (CCD, CMOS) alapú kamera

lencse kamera

Monoenergiás nyaláb gyengülése MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Budapest (MTA EK)

7 /16

Lineáris gyengítési együttható (μ, cm-1) makroszkopikus az elnyelés és a szórás összege



tot

 a  abs   scat 

a: atomsűrűség (cm-3) abs: elnyelési hatáskeresztmetszet (cm2)  scat: szórási hatáskeresztmetszet (cm2)

Beer-Lambert törvény érvényes ha: • pontszerű a detektor • vékony és jól kollimált a nyaláb • nincs buildup hatás

I tr  exp   tot  d  I0 d: anyagvastagság

Tömeggyengítési együttható (μm, cm2.g-1) és felületi sűrűség (dm, g.cm-2) egy elemre

  tot  I tr   exp     m d   exp   mtot  d m I0  m 





Effektív tömeggyengítési együttható elemek homogén, d vastagságú keverékére (különböző μmα tömeggyengítési együttható, eltérő x tömegarány ,  m átlagos sűrűség)

I tr      exp   d  m  x  mtot   exp   d  tot  I0       Rétegelt minta (d = i di , i=1,2, ...)

I tr   tot  exp     mi  d mi  I0  i 

Korrekciók és a projekciók Radon-transzformációja MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Budapest (MTA EK)

8 /16

Detektált valódi intenzitás:

Intenzitások szürkeérték skálán

Iopenbeam, Idarkbeam, Itransmitted

t

a projekciók korrekciója szükséges a fluxus normalizációjához: • kamera sötétáramra • nyaláb és detektor inhomogenitásra

y

Szcint. ernyő + CCD pixelek

 x, y 

neutron fluxus  szürkeérték

I tr I transmitted  I darkbeam  I0 I openbeam  I darkbeam



x

valódi minta =  (kis, homogén minták)

I tr e I0





tot

s

 x , y ds t  x  cos   y  sin 

beam path

Projekciók (Radon-transzformáció): A (x,y) gyengítési együttható  szöghöz tartozó, t-re merőleges (s-menti) vonalintegráljai adott szeleten keresztül

nyaláb

P t    ln 





I tr , t    x, y ds  I 0 , t  line

  x, y   t  x cos   y sin dxdy

 

Fourier-szelet tétel MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Budapest (MTA EK)

9 /16

A kétváltozós (x,y) függvény valamely egyenesre (,t) vett vetületének 1D-s Fourier transzformáltja megegyezik a (x,y) függvény 2D-s Fourier transzformáltjának ugyanezen egyenes mentén kapott értékeiből képzett függvényeivel.

Pq(t)

Mérések különböző elforgatási szögeknél

2D pixel detector

• szögtartomány: 0 – 180° vagy 0 – 360°

q

q

S(,)

A képrekonstrukció lépései MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Budapest (MTA EK)

10 /16

A vetületek Fourier transzformáltjainak segítségével előállítható az eredeti függvény 2D-s Fourier transzformáltja, amiből inverz Fourier transzformáció alkalmazásával megkaphatjuk az eredeti kétváltozós függvényt.

S(,)  S(u,v)

 ( x, y ) 

 

2i ( ux vy )

  S (u, v) e

du dv

 

Lassú Projekciók száma <  Zaj, szórás

Szűrt visszavetítés módszere

A képrekonstrukció lépései MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Budapest (MTA EK)

11 /16

(x,y,z)

Pq(t) Projekciók különböző szögeknél

(x,y) Objektumszeletek

3D megjelenítés

Mire használható a NIPS–NORMA berendezés? MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Budapest (MTA EK)

12 /16

PGAI (prompt gamma aktivációs leképezés) neutronnyaláb kollimálása:

húr

+ gammadetektálás kollimálása:

izotérfogat

pontonkénti pásztázás:

2D/3D PGAA

elért térbeli felbontás:

2 – 3 mm

hosszadalmas:

> napok

Neutronradiográfia/tomográfia gyors:

mp – órák

kisebb tárgyak:

cm-es nagyságrend

Radiográfia/Tomográfia-irányított PGAI megjeleníteni és pozícionálni az érdekes részeket prompt- mérések csak a szükséges helyeken jelentős nyalábidő megtakarítás K+F: pl. homogenitás vizsgálat

izotérfogat elrendezés

húr elrendezés

Neutronradiográfia és -tomográfia MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Budapest (MTA EK)

13 /16

Léptető motor: Eredeti projekció Normált projekció

Egy rekonstruált szelet 3D szelet

MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Budapest (MTA EK)

Neutrontomográfia 14 /16

Két rugó:

MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Budapest (MTA EK)

Neutrontomográfia 15 /16

Hawaii vulkáni bazalt:

Köszönöm a figyelmet! MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Budapest (MTA EK)

16 /16

Kilátás a NORMAFÁ-tól, Budapest

The physical basis of PGAA MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Budapest (MTA EK)

17 /16

Prompt gamma activation analysis – radiative neutron capture

The gamma energy is characteristic for the element or isotope The gamma-ray intensity is characteristic for the quantity of the element or isotope

Main features of PGAA MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Budapest (MTA EK)

18 /16

‘Multielement’ (main- and trace components) Average composition of the irradiated volume: independent of chemical and physical form of the sample Exact for homogeneous and noncrystalline samples Non-destructive (negligible residual radioactivity, no mechanical damage) Minimal sample preparation Handbook of PGAA (Kluwer, 2004)

Sensitivity of PGAA MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Budapest (MTA EK)

19 /16 H

Element

1 1.00794 0.3326 b 82.02 b

stable isotope

Li

Be

7

9

7.5

6

92.5

6.941 70.5 b 1.37 b

Na

Mg

79

22.98977 0.530 b 3.28 b

K

10

7

39 40 41 39.0983 2.1 b 1.96 b

Rb

8572 8728 85.4678 0.38 b 6.8 b

B

20

Ca

44.9559 27.5 b 23.5 b

Sr

Y

45

84 8610 877 8883 87.62 1.28 b 6.25 b

Ba

133

130 132 1342 1357 1368 13711 13872

132.90545 29.0 b 3.90 b

Sc

137.327 1.1 b 3.38 b

(Fr)

(Ra)

(223)

(226)

12.8 b 13 b

89 88.90585 1.28 b 7.70 b

La

138 13999.9 138.9055 8.97 b 9.66 b

8

Ti 7

74

46 47 48 495 505 47.867 6.09 b 4.35 b

Zr

9052 9111 9217 9417 963 91.224 0.185 b 6.46 b

Hf

174 1765 17719 17827 17914 18035 178.49 104.1 b 10.2 b

(Ac) 104

V

0.25

50

51

50.9415 5.08 b 5.10 b

Nb 93 92.90638 1.15 b 6.255 b

Ta

180 18199.99 180.9497 20.6 b 6.01 b

105

4

Cr 84

10

50 52 53 542 51.9961 3.05 b 3.49 b

Mo

9215 949 9516 9710 9824 9910 95.94 2.48 b 5.71 b

W

180 18226 18314 18431 18629 183.84 18.3 b 4.60 b

Mn 55 54.9380 13.3 b 2.15b

(Tc) (98)

20 b 6.3 b

Re

18537 18763 186.207 89.7 b 11.5 b

6

Fe 92

2

54 56 57 58

Co 59

55.845 2.56 b 11.62 b

58.9332 37.18 b 5.6 b

Ru

Rh

966 982 9913 10013 10117 10232 10419 101.07 2.56 b 6.6 b

Os 184 1862 1872 18813 18916 19026 19241

190.23 16.0 b 14.7 b

103 102.9055 144.8 b 4.6 b

Ir

19137 19363 192.217 425 b 14 b

68

Ni 26

1.1

58 60 61 623.6 640.9 58.6934 4.49 b 18.5 b

Pd

Cu 69

31

63 65

63.546 3.78 b 8.03 b

Ag

Zn

49

28

4

64 66 67 6819 70 65.39 2.75 b 6.38 b

Cd

1021 1041110522 10627 10827 11012 106.42 6.8 b 4.48 b

10752 10948

Pt

Au

Hg

197

196 19810 19917 20023 20113 20230 2047

190 1921 19433 19534 19625 1987 195.08 10.3 b 11.71 b

107.8682 63.3 b 4.99 b

196.96655 98.65 b 7.73 b

1061 1081 11013 11113 11224 11312 11428 1168

112.411 2520 b 6.5 b

200.59 372.3 b 26.8 b

N

1.1

10.811 767 b 5.24 b

12.011 0.00350 b 5.551 b

14.00674 1.9 b 11.51 b

Ga 60

Si

92

4.7

28 29

40

69 71

69.723 2.75 b 6.83 b

In

1134 11596 114.818 193.8 b 2.62 b

Tl

20330 20570 204.3833 3.43 b 9.89 b

3.1

30

28.0855 0.171 b 2.167 b

Ge

20

27

8

70 72 73 7437 768 72.61 2.20 b 8.60 b

Sn 15 1121 114 115 116 1178 11824 1199 12032 1225 1246

118.71 0.626 b 4.892 b

Pb

2041 20624 20722 20852 207.2 0.171 b 11.12 b

O

.37

14 15

26.9815 0.231 b 1.503 b

2

C

99

12 13

27

24.305 0.063 b 3.71 b

97

80

10 11

Al

40 42 43 44 46 48 40.078 27.5 b 23.5 b

0.038

16 17

15.9994 0.00019 b 4.232 b

P

S

95

32 33 34 36

30.9738 0.172 b 3.312 b

32.066 0.53 b 1.026 b

Se 9

75

Sb

121.76 4.91 b 3.90 b

24

Nd

(Pm)

Sm

141

14227 14312 14424 1458 14617 1486 1506

(145)

1443 14715 14811 14914 1507 15227 15423

140.90765 11.5 b 2.66 b

Th

(Pa)

232

(231)

2350.72 23899.3

200.6 b 10.5 b

238.0289 7.57 b 8.9 b

232.03805 7.37 b 13.36 b

Eu

15148 15352

Gd

Tb

Dy

152 1542 15515 15620 15716 15825 16022

159

156 158 1602 16119 16226 16325 16428

168.4 b 21.3 b

U

(Np)

(Pu)

(Am)

(Cm)

(Bk)

(Cf)

(Es)

(239)

(244)

(243)

(247)

(247)

(251)

(252)

175.9 b 14.5 b

1017.3 b 7.7 b

151.965 4530 b 9.2 b

158.92534 23.4 b 6.84 b

162.5 994 b 90.3 b

Er

162 1642 16633 16723 16827 164.93032 17015 64.7 b 167.26 8.42 b 159 b 8.7 b 165

144.24 51 b 16.6b

150.36 5922 b 39 b

157.25 49700 b 180 b

Ho

(Fm) (257)

24

Br 51

49

79 81

79.904 6.9 b 5.90 b

Te

I 127

0.26

Ar

99.6

36 38 40

39.948 0.675 b 0.683 b

Kr 2

12

Xe

124 126 1282 12927 1304 13121 13227 13410 1369

Bi

(Po)

(At)

(Rn)

209

(209)

(210)

(222)

-

-

-

Tm

Yb

169

168 1703 17114 17222 17316 17432 17613

17597 1763

Lu

168.93421 100 b 6.38 b

173.04 34.8 b 23.4 b

174.976 74 b 7.2 b

(Md)

(No)

(Lr)

(258)

(259)

(261)

12

78 80 82 83 8454 8617 83.8 25 b 7.68 b

126.90447 6.15 b 3.81 b

208.98038 0.0338 b 9.156 b

9

22

20.1797 0.039 b 2.628 b

4.7 b 4.32 b

106

Pr

76

35 37

12012231231 1245 1257 12619 12832 13035 . 127.6

-

Ce

18.998 0.0096 b 4.018 b

35.4527 33.5 b 16.8 b

74 76 77 78 8050 829 78.96 11.7 b 8.30 b

74.9216 4.5 b 5.50 b

12157 12343

8

Ne

91

20 21

19

Cl

4

31

As

F

0.2

18

(227)

136 138 14089 14211 140.115 0.63 b 2.94b

4

4.002602 0.007 b 1.34 b

11

Cs

-

0.00014

3

24 25 26

23

93

atomic weight  - capture  - scattering

9.0122 0.0076 b 7.63 b

He

Detection Limit [ppm]  0.1-1  1-10  10-100  100-1000  >1000  no data

131.29 23.9 b -

Experimental stations at the Budapest Research Reactor MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Budapest (MTA EK)

20 /16

Our stations are located in the cold neutron guide hall Prompt gamma activation analysis (PGAA) Neutron induced prompt gamma-ray spectrometry (NIPS)

Low-level counting facility (DÖME)