Képalkotás neutronokkal: radiográfia tomográfia

Korszerű Nukleáris Elemanalitikai Módszerek és Alkalmazásaik II. félév 4. előadás

Képalkotás neutronokkal: radiográfia – tomográfia Kis Zoltán, Szentmiklósi László [email protected] [email protected]

MTA Energiatudományi Kutatóközpont, Nukleáris Analitikai és Radiográfiai Laboratórium 1121 Budapest, Konkoly Thege Miklós u. 29-33., XVII/A. ép. 209. és 205. sz.

ELTE TTK, 2014-15

Fő témakörök

A. A neutronradiográfia (NR) és –tomográfia (NT) elméleti alapjai B. A neutronradiográfia (NR) és –tomográfia (NT) felhasználási lehetőségei C. A prompt-gamma aktivációs leképezés (PGAI) 2D és 3D elemtérképezési lehetőségei (egy későbbi előadás a félév folyamán)

2

Mi van a képen ?

virág

5 cm gránitfal mögött

A.1. A neutronradiográfia és –tomográfia elméleti alapjai: Képalkotási lehetőségek neutronokkal.

3

Miért szeretjük a neutronokat ?

VASCSŐ

Nincs használható információ

Nem elég éles, gyenge kontraszt

vizuálisan

150 keV röntgen

1,25 MeV gamma

Minden tárgy felismerhető lassú neutronok A.1. A neutronradiográfia és –tomográfia elméleti alapjai: Képalkotási lehetőségek neutronokkal.

4

A képalkotási lehetőségek 





Miért szeretjük a neutronokat? 

Struktúra, elemösszetétel, ásványi és fémes fázisok roncsolásmentes vizsgálata



Energiájuk függvényében más-más elemi érzékenység



Mély behatolás, nincs töltése (~cm, energiafüggő)

Neutronos módszerek 

NR/NT (2D/3D-s szerkezet) : Neutronradiográfia/tomográfia



PGAA (0D-s elemanalízis)  PGAI: Prompt-gamma aktivációs leképezés (3D)



ND (2D-s fázisstruktúra) 

NDT : Neutrondiffrakciós tomográfia (3D)



NRCA (0D-s elemanalízis) 

NRCI: Rezonancia-neutronbefogásos leképezés (3D)



NRT (Rezonancia-neutrontranszmisszós leképezés) (natív 2D; 3D)

Neutronos módszerek + pozicionálás kombinálása = lokális mérések

Analysis (Elemzés)  Imaging (Leképezés) A.1. A neutronradiográfia és –tomográfia elméleti alapjai: Képalkotási lehetőségek neutronokkal.

5

A radiográfia alapelve • Radiográfia = „Rajzolj a sugárzással” • A radiográfia olyan direkt és roncsolásmentes képalkotási technika, ahol a tárgyon áthaladó nyaláb módosulásának érzékelésével a tárgy egy képi vetületét kapjuk . • A láthatatlan sugárzás látható képpé alakul

Investigated object I Radiation source

Io Ix

Io

D

x

l1

h I =Io e-  h Ix =Io e -  (h-x) -x x

L

l2

l1 >> l2

Converter screen Radiography imaging

A.2. A neutronradiográfia és –tomográfia elméleti alapjai: Az alapvető fizikai folyamatok (elnyelés és szóródás, Beer-Lambert törvény, kontraszt).

6

Monoenergiás nyaláb gyengülése Beer-Lambert törvény érvényes ha: • pontszerű a detektor

• vékony és jól kollimált a nyaláb • nincs ún. build-up hatás

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

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)

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 



μm = μ / m :

m :



azonos számértékű egy elem szilárd, folyadék és gáz állapotában tömegsűrűség (g.cm-3)


7

A céltárgy optimális vastagsága (háttéranyag)







I tr  exp   tot  d  exp  mtot  d m I0 I  ln tr  I0



    tot  d   mtot  d m 

Céltárgy vastagsága • • • •

optimális : µtot × d értelmében az optimális átvitel korlátozott ha µtot ismert, akkor a min. és max. vastagság korlátozott: átvitel min. > 0.02

d max 

 ln 0.02

 tot



3.91

 tot

átvitel max. < 0.98

d min 

 ln 0.98

 tot



0.02

 tot

tot (cm-1)

dmin (cm) < d < dmax (cm)

Al

0.10

0.193 – 37.45

Bi

0.26

0.078 – 15.15

Ag

4.00

0.005 – 0.977

Elem


8

Feketedés és kontraszt (neutronok, röntgen) Radiográfiai kontraszt: az egymás mellett lévő feketedések (intenzitások) közötti különbség.

neutron

Matematikailag az egymás mellett lévő intenzitások közti különbség hányadosával vagy százalékával fejezhetjük ki. kontraszt 

Vmax  Vmin Vmax  Vmin

röntgen

A gyakorlatban a fehértől a feketéig terjedő árnyalatokon (szürkeértékek) keresztül. A.2. A neutronradiográfia és –tomográfia elméleti alapjai: Az alapvető fizikai folyamatok (elnyelés és szóródás, Beer-Lambert törvény, kontraszt).

9

Összehasonlítás: röntgen vs. neutron

A.3. A neutronradiográfia és –tomográfia elméleti alapjai: A neutronos képalkotás összehasonlítása a Röntgen-sugárzáson alapuló módszerrel.

10

A feketedés és a kontraszt fizikai háttere

Az elemek tömeggyengítési együtthatói (logaritmikus skála!!) termikus neutronokra (különálló pontok), 1 MeV-es gamma-sugárzásra (pontozott vonal), 150 kV-os (folytonos vonal) és 60 kV-os röntgen-sugárzásra (szaggatott vonal) A.3. A neutronradiográfia és –tomográfia elméleti alapjai: A neutronos képalkotás összehasonlítása a Röntgen-sugárzáson alapuló módszerrel.

11

A feketedés és a kontraszt fizikai háttere (háttéranyag)

A 100 keV energiájú fotonra vonatkozó teljes mikroszkópikus hatáskeresztmetszet, σ [barn] (a kölcsönhatás az elektronhéjban játszódik le)

A 25 meV energiájú neutronra vonatkozó teljes mikroszkópikus hatáskeresztmetszet, σ [barn] (a kölcsönhatás az atommagban játszódik le) A.3. A neutronradiográfia és –tomográfia elméleti alapjai: A neutronos képalkotás összehasonlítása a Röntgen-sugárzáson alapuló módszerrel.

12

A neutronos képalkotás fejlődése

J.S. Brenizer / Physics Procedia 43 ( 2013 ) 10 – 20 A.4. A neutronradiográfia és –tomográfia elméleti alapjai: A képalkotás fejlődése, egy modern radiográfiás rendszer felépítése (a kollimációs tényező).

13

Klasszikus radiográfiás rendszer felépítése

Alapelemek: • • • • • • •

izotróp neutronforrás (pl. reaktor) elsődleges apertúra (D) nyalábszűrők kollimátor nyalábzár detektor (film, kamera) nyalábstop

A.4. A neutronradiográfia és –tomográfia elméleti alapjai: A képalkotás fejlődése, egy modern radiográfiás rendszer felépítése (a kollimációs tényező).

14

Kollimációs tényező: L/D A kollimátor • fő feladata a neutronok kicsatolása a neutronforrásból (pl. reaktor)

Φ0 Α Φ= 4𝜋𝐿2 𝜋𝐷 2 𝐴= 4

Φ0 𝑏𝑒𝑙é𝑝ő 𝑓𝑙𝑢𝑥𝑢𝑠 𝐿 = = 16 Φ 𝑘𝑖𝑙é𝑝ő 𝑓𝑙𝑢𝑥𝑢𝑠 𝐷

2


15

Egy idealizált radiográfiai rendszer alapelemei 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? L/D: Kollimációs tényező


16

A kollimációs tényező hatása


17

Egy modern radiográfiás rendszer felépítése A képkészítés alapja: • • • • • •

a neutronnyaláb gyengülése az útjába helyezett anyagban neutron-érzékeny, látható fényt kibocsátó szcintillátorernyő tükör leképező rendszer digitális kamera képfeldolgozó szoftver és hardver

digitális kamera

leképező rendszer gyengítetlen neutronnyaláb

áthaladó neutronok látható fény szcintillátor ernyő

Al-tükör


18

Egy modern radiográfiás rendszer felépítése

Előnyök: • Hideg és termikus neutronok alkalmazása a jó detektálhatóság és a legtöbb anyagra vonatkozó jó kontraszt miatt • Gd, Li-6 and B-10 tartalmú szcintillátor anyagok alkalmazása a neutronok detektálhatósága érdekében • A minél párhuzamosabb nyalábgeometria elérése • A digitális képkészítési technika helyettesíti a hagyományos filmes technikát A.4. A neutronradiográfia és –tomográfia elméleti alapjai: A képalkotás fejlődése, egy modern radiográfiás rendszer felépítése (a kollimációs tényező).

19

Valódi rendszerek (kamera + szcintillátor) Szcintillátor és tükör

Optika és CCD kamera Sugárzás elleni védelem

München

Budapest

300 mm 105 mm 50 mm


20

Neutronforrások leképezéshez (háttéranyag) • Kutatóreaktor (ILL, FRM-II, BNC, ...) • Spallációs forrás (ISIS, SINQ, SNS, ...) • Radioaktív elemek (Cf, Ra-Be, Sb-Be) • Gyorsítós sugárforrás (D-D, D-T reakciók)

A.5. A neutronradiográfia és –tomográfia elméleti alapjai: Képalkotásra alkalmas detektorrendszerek és alapvető jellemzőik (térbeli és időbeli felbontás).

21

Neutronok detektálása (háttéranyag)

• Közvetlen neutrondetektálás nem lehetséges • Másodlagos magreakció szükséges : befogás, hasadás, ütközés

• A neutronos leképezés főként a következő folyamatokon alapul: • szcintilláció • másodlagos részecskék (+β, γ) által kiváltott foto-lumineszcencia • nyomjelzés nuclear track detection • kémiai gerjesztés chemical excitation • töltésösszegyűjtés félvezetőkben


22

Leképezésre alkalmas detektorok (háttéranyag)

Budapesti Neutron Centrum A.5. A neutronradiográfia és –tomográfia elméleti alapjai: Képalkotásra alkalmas detektorrendszerek és alapvető jellemzőik (térbeli és időbeli felbontás).

23

Leképezésre alkalmas detektorok jellemzői


24

Detektorok térbeli és időbeli felbontása


25

A rendszer térbeli felbontása • Egy leképező-rendszer térbeli felbontóképessége a tárgy két szomszédos, még külön képként érzékelt pontja közötti távolság (az Airy-korong sugara).

• Módszerek a térbeli felbontás mérésére : •

Gd Siemens Csillag tesztmintázat: • egyre vékonyodó küllők koncentrikus gyűrűkbe rendezve • a mintázat fél-kvantitatív becslést ad a felbontóképességre

•

Gd fólia élén végzett vizsgálatok : • Az élválasz-függvénynek (Edge-Spread Function, ESF) a teljes intenzitás 10% és 90%-os értékéhez tartozó pontjai közötti távolság • A vonalválasz-függvény (Line-Spread Function, LSF) Gauss-csúcs alakú illesztésének félértékszélessége • Az átviteli-függvény (Modulation Transfer Function, MTF) 10%-os értékéhez tartozó térbeli frekvencia inverze


28

A rendszer térbeli felbontása (Siemens star) Detektorrendszer a neutronvezető végénél: szcintillátor + optika + CCD •

(a-b) Egy „high-end” neutronos leképező rendszer (CoNRaD, HZB, Berlin) • Gadox (Gd2O2S:Tb) szcintillátor (rétegvastagság: 4 m) • A 40 m-es közű küllők jól láthatók, jelezve az ennél jobb térbeli felbontást

• Újfajta standard teszt objektum szükséges a nagyfelbontású vizsgálatokhoz

•

(c) Szerényebb képességű leképező rendszer (NORMA, BNC, Budapest) •

6LiF/ZnS:Ag

szcintillátor (rétegvastagság : 100 m)

• A 200 m-es közű küllők jól láthatók, jelezve az akörüli térbeli felbontást

100 m 200 m

(c) A.5. A neutronradiográfia és –tomográfia elméleti alapjai: Képalkotásra alkalmas detektorrendszerek és alapvető jellemzőik (térbeli és időbeli felbontás).

29

A rendszer térbeli felbontása (Gd él) Detektorrendszer (CoNRaD): CCD kamera + optika + Gadox szcintillátor •

A térbeli felbontás mérése: egy 100 m vastag, a szintillátorernyő Al-lapjára helyezett gadolínium fólia élének leképezésével

•

ESF (élválasz-függvény): az élen átmenő merőleges vonalprofil szürkeértékeiből

•

A térbeli felbontás értéke kissé eltérő az alkalmazott módszerektől függően

resolution : 17 m

resolution : 11 m resolution : 14.8 m


34

A rendszer térbeli felbontása, szcintillátor vastagság Mérőrendszer : CCD kamera + optika + különböző vastagságú 6LiF/ZnS(Ag) •

A térbeli felbontás mérése egy 25 μm-es Gd fólia élének képével történt, a fólia közvetlenül a szcintillátor Al előlapjára volt ragasztva

•

Az élválasz-függvényt (ESF) az élre merőleges vonalprofil adja

•

A térbeli felbontás az élválasz-függvénynek a teljes intenzitás 10% és 90%-os értékéhez tartozó pontjai közötti távolság átlagértéke


35

A rendszer térbeli felbontása, szcintillátor vastagság


36

A leképezés időbeli felbontása 1. Az egyszeri és nagyon gyors folyamatok leképezése nagysebességű, pl. néhány ezer kép per másodperc időbeli felbontást igényel Példa: pisztolylövés – a neutronos leképezés számára gyakorlatilag elérhetetlen! Miért? Problémák: - A foton/neutron arány egy rövid idejű képkockán nagyon alacsony, a detektor zajszintjébe esik. - Az általában használatos detektorok pixel kiolvasási sebessége lassú, így a teljes kép kiolvasása hosszú idő, ezért a képet kevés pixelre képezik le, így csak gyenge térbeli felbontás érhető el. De: Új, gyors detektorrendszerek fejlesztése folyik. A végső korlát a neutronok fluxusa! 2. Az egyszeri és viszonylag lassú folyamatok leképezése pl. 1 – 10 kép per másodperc időbeli felbontást igényel Példa: felszívódás, diffúzió – a neutronos leképezés számára gyakorlatilag is elérhető!

A gyakorlaton megcsináljuk! A.5. A neutronradiográfia és –tomográfia elméleti alapjai: Képalkotásra alkalmas detektorrendszerek és alapvető jellemzőik (térbeli és időbeli felbontás).

38

A leképezés időbeli felbontása 3. Az ismétlődő és nagyon gyors folyamatok leképezése stroboszkópos leképezéssel lehetséges Példa: Üzemanyag befecskendezés vagy olajkenés a működő motorban Előny: - A foton/neutron arány egy rövid idejű képkockán nagyon alacsony, de a periodikus folyamat azonos fázisában sok, egymásra rakódó expozíció készíthető, amely végül egyszerre kiolvasható Hátrány: - Egyszerre csak egy fázis képezhető le, ezért a folyamatot számos fázis kell szétbontani. Sok neutron haszontalanul elveszik az éppen nem leképezendő fázisokban. Fizikai korlátok • A rendelkezésre álló foton/neutron fluxus egy időablakban • A szcintillátoranyag utánvilágításának felezési ideje • A detektor kiolvasási sebessége • A detektor jeleinek kapuzási ideje (ha alkalmazható) A.5. A neutronradiográfia és –tomográfia elméleti alapjai: Képalkotásra alkalmas detektorrendszerek és alapvető jellemzőik (térbeli és időbeli felbontás).

39

Digitális leképezés A digitális leképezés előnyei a neutronos vizsgálatokban: • nagy érzékenység és hatásfok • gyors kiolvasás, magas képfrekvencia

• kiváló linearitás, széles dinamikus tartomány • elfogadható (és egyre javuló) térbeli felbontás • számszerű kiértékelésre alkalmas digitális információ

• utólagos képfeldolgozás lehetséges • könnyű archiválás és adat átadás • tomografikus leképezés lehetősége

A.6. A neutronradiográfia és –tomográfia elméleti alapjai: Digitális képalkotás előnyei és korlátai.

40

Digitális leképezés A digitális radiográfia kimenete: • 2D kép lineáris skálával (pl. szürkeértékek) Projekció: integrálja a tárgy nyalábirányba eső rétegeit, utólagos képfeldolgozás lehetősége

• A pixelek mátrixa, mint adathalmaz tartalmazza az intenzitás értékeket Alkalmas számszerű kiértékelésre

A neutronradiográfia korlátai:

• Térbeli felbontás (a detektálási módszer meghatározza) Korlátozó még: nyalábkollimáció, pixelméret, optikai rendszer

• Képfrekvencia (besugárzási és kiolvasási idő) Korlát: nyalábintenzitás, detektor érzékenység, elektronikus komponensek

• Tárgyméret (a tárgy anyagának transzmissziós tulajdonsága) Gyorsneutronok alkalmazásával növelhető … (detektálás nehézkes) A.6. A neutronradiográfia és –tomográfia elméleti alapjai: Digitális képalkotás előnyei és korlátai.

41

3D rekonstrukció: tomográfia A tomográfia a radiográfia kiterjesztése, amelynek során a 360 vagy 180 fokban körülforduló objektumokról az egyes kis elfordulási szögeknél felvett projekciók sorozatából matematikai algoritmusokkal a tárgy részeinek neutrongyengítési értékei 3D-ben megjeleníthetők.

A.7. A neutronradiográfia és –tomográfia elméleti alapjai: A tomográfia, mint a radiográfia háromdimenziós kiterjesztése .

42

Korrekciók, a projekciók Radon-transzformációja 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

 


43

A képrekonstrukció lépései

(x,y,z)

P(t) Projekciók különböző szögeknél

(x,y) Objektumszeletek


3D megjelenítés

46

Neutronradiográfia és -tomográfia Léptető motor: Eredeti projekció

Normált projekció

Egy rekonstruált szelet 3D szelet A.7. A neutronradiográfia és –tomográfia elméleti alapjai: A tomográfia, mint a radiográfia háromdimenziós kiterjesztése .

47

Neutrontomográfia Két rugó:


48

Miért jó a neutrontomográfia ? 3 dimenziós kép: virtuális valóság 

Forgatás, eltolás



tetszőleges nézőszög



Renderelés



tetszőleges részlet kiemelése ill. szeletelés


49

Alkalmazások: tudomány + ipar

http://www.psi.ch/niag/ImagingBrochureEN/Neutron_Imaging_m3.pdf

B. A neutronradiográfia és –tomográfia felhasználási lehetőségei

50

Mérőhelyek világszerte és hazánkban E. Lehmann

B.1. A neutronradiográfia és –tomográfia felhasználási lehetőségei: Mérőhelyek világszerte és hazánkban.

51

Egy leképezőrendszer komponensei

1. Source 2. Moderator 3. Cold source (optional) 4. Collimator 5. Radiation filters 6. Flight tube

7. Sample manipulator 8. Detector 9. Shielding+beam dump 10. Door

11. Shutters

12. Beam Limiters

12

2

1

4

5

11

6

8

9

12 3

7 10


52

NEUTRA@PSI, Svájc – Termikus neutronok

Experiment position Experiment position

X-ray tube

NEUTRA: NEUtron Transmission RAdiography B.1. A neutronradiográfia és –tomográfia felhasználási lehetőségei: Mérőhelyek világszerte és hazánkban.

53

ICON@PSI, Svájc – Hideg neutronok ICON: Imaging with COld Neutrons Extreme good resolution (25 m) for small objects

Space for Selector or Chopper Micro-TomographyPosition

Beam limiters

Position for large objects


variable apertures 1 … 80 mm, Be filter 54

Antares II @ FRM2, Németo.– Hideg neutronok Három különálló „kamra”: 1. Nyalábformálás (zár, szűrők, kristály monokromátor, szelektor, polarizátor, periszkóp) 2. Nagy fluxus, alacsony háttér, lehetőség röntgenátvilágításra 3. Nagy minták, magas L/D He-töltött (15 mbar) repülési csövek


55

RAD és NIPS–NORMA @ BNC Budapest BNC = Budapesti Neutron Centrum RAD NIPS - NORMA BNC


56

RAD és NIPS–NORMA @ BNC Stations are located in the Cold Neutron Guide Hall and the Reactor Hall NIPS – Neutron Induced Prompt gamma-ray Spectrometry NORMA – Neutron Optics and Radiography for Material Analysis RAD – Static and Dynamic Neutron Imaging, X-ray and gamma-ray radiography


57

RAD @ BNC Távolság: 463 – 539 cm Fluxustartomány: 4.6 – 3.38 × 107 n.cm-2.s-1 L/D = 170 – 195 Nyalábátmérő: 195 – 230 mm subCd/epi = 52

RAD: NR/NT station

Reactor

Neutron beam

mérési pozíciók

Leképezési lehetőségek: • • • •

Nagy fényérzékenységű TV-kamera Fotolumineszcens képlemez Röntgencsövek: 50-300 keV; 5 mA Gamma sugárzás: ~ 8,5 Gy/h

• • •

16-bit 4 Mpx sCMOS kamera Új röntgencső: 25-225 keV, max. 10 mA Radiográfia/Tomográfia nagyobb tárgyakon Kis látótér, nagy térbeli felbontás

•


58

Fejlesztések RAD-nál (háttéranyag) Capable of neutron, X-ray and gamma imaging static imaging: radiography and tomography based on digital sCMOS camera (Andor Neo 5.5) ● neutron: Li6F/ZnS, Gadox; X-ray: Gadox; gamma-ray: NaI(Cs) crystal ●

dynamic imaging: ●

radiography based on low-level-light analog TV camera (Vidicon tube) and digital sCMOS

different field of views: 250×250 mm2 (Sigma 50mm) ● 100×100 mm2 (Nikon 105mm) ● 40×40 mm2 (Nikon 300mm) ●


59

NIPS-NORMA @ BNC 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) NORMA – Neutron Optics and Radiography for Material Analysis

C D A

A NIPS–NORMA berendezés 2012 januárja óta működik.


B 60

A NIPS-NORMA mérőrendszer (háttéranyag) NIPSNORMA, a „sokoldalú” görbített neutronvezető (2,5 ) változtatható neutron és gamma kollimáció pozíció érzékeny elemanalízis (PGAI) képalkotó rendszer (NR/NT) HPGe gamma detektor

Jellemzők: hideg n-spektrum: 1.5 – 2.5 – 8 Å HPGe + BGO detektor 16-bit 1 Mpx CCD kamera L/D mért: 233 térbeli felbontás: 0,2-0,5 mm 1.48E+07

Neutron nyaláb

48.6 MM

NR / NT

1.05E+07

Mintakamra

2.70E+07 Motorizált mintamozgató

9.96E+06

1.98E+07

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


61

Tudományos alkalmazások

… kulturális örökség, geológia, anyagtudomány, növényélettan ...

B.2. A neutronradiográfia és –tomográfia felhasználási lehetőségei: Tudományos alkalmazások.

62

Kulturális örökség – sisak, bronz szobor, …

Belső szerkezet, öntési technológia meghatározása E.H. Lehmann et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 542 (2005) 68–75 B.2. A neutronradiográfia és –tomográfia felhasználási lehetőségei: Tudományos alkalmazások.

63

Hawaii bazalt – pórusok


64

Homokkőben kötött olaj


65

Másodlagos hidridizáció – Urán fűtőanyag burkolat

• Baleseti szituációhoz vezető folyamat: reaktor hűtőközegének elvesztése (LOCA) • NR: Zr burkolat hidrogén-eloszlásának meghatározása a repedés körül M. Grosse et al. / Journal of Nuclear Materials 420 (2012) 575–582


66

Röntgen- és neutronradiográfia, tomográfia – habok

Pórusméret-eloszlás, falvastagság-eloszlás meghatározási lehetősége E. Solórzano et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 324 (2014) 29–34


67

Növény élettan – gyökérfelszívódás

Víztartalom-eloszlás, felszívódási sebesség meghatározási lehetősége Lehmann, E.H., Kaestner, A.P., 2006. 3D Neutron Imaging, in: Encyclopedia of Analytical Chemistry. John Wiley & Sons, Ltd. B.2. A neutronradiográfia és –tomográfia felhasználási lehetőségei: Tudományos alkalmazások.

68

Ipari alkalmazások

… mérnöki gyakorlat, elektronika, gyártástechnológia, minőség-ellenőrzés ...

B.3. A neutronradiográfia és –tomográfia felhasználási lehetőségei: Ipari jellegű felhasználások.

69

Mérnöki – belső szerkezet / törésfelületek

S3D (stereoscopic 3D) vizualizáció


70

Elektronika

Fotó

Röntgen

Neutron

Neutron - röntgen

M. Schulz, B. Schillinger, Technische Universitat München B.3. A neutronradiográfia és –tomográfia felhasználási lehetőségei: Ipari jellegű felhasználások.

71

Turbinalapátok – kerámiamag maradék vizsgálata Kobalt- és nikkel-tartalmú szuperötvözetek a repülőgép hajtóművek és gázturbinák számára (AlcoaHowmet Hungary)

RAD

Öntvény belső gázjáratokkal (viaszba ágyazott kerámiamag) magmaradék: nehezen detektálható röntgen-átvilágítással

RAD

NORMA

Képek: RAD vs. NORMA Kontrasztnövelés Cd-oldatos fürdővel (2% and 40%) B.3. A neutronradiográfia és –tomográfia felhasználási lehetőségei: Ipari jellegű felhasználások.

72

Mi-24 katonai helikopter rotorlapát • • • • •

19 szektor, 9,85 m hosszú, 700 mm széles, 65 mm vastag, teljes tömeg:115 kg

RAD

X-RAY

water

NEUTRON 73 B.3. A neutronradiográfia és –tomográfia felhasználási lehetőségei: Ipari jellegű felhasználások.

73

Űrkutatásban használatos piropatronok

CEA Saclay, Franciaország


74

Valós idejű neutronradiográfia - kávéfőző

B.4. A neutronradiográfia és –tomográfia felhasználási lehetőségei: Folyamatok valós idejű követése.

75

Li-ion elemek

• Korreláció a töltöttségi állapottal • Elektródák gázborítottsága N. Kardjilov et al. / Materials today 14(6) (2011) 248–256 B.4. A neutronradiográfia és –tomográfia felhasználási lehetőségei: Folyamatok valós idejű követése.

76

Stroboszkopikus leképezés – kumulatív expozíció • A ciklikus folyamatok lehetnek gyorsabbak, mint a valós idejűek • A kamera indítása mindig azonos fázisban • Számos rövid idejű expozíció kumulatív összegyűjtése • Az egyes fázisok különálló leképezése


77

Első stroboszkopikus leképezés: BMW motor Nyaláb: • NEUTROGRAPH (ILL, Grenoble) • fluxus: 3×109 n/cm2s • L/D=140 A motor fordulatszáma: 1000 perc-1 Képkészítés: • 150 kép kumulative gyűjtése egy fázisban • egyedi expozíciós idő: 200 mikrosec / kép • 120 egyedi fázis 2 forgás alatt • összes expozíciós idő a teljes körbefordulásra 18 perc • Látótér: 24 cm × 24 cm (változtatható) ILL, Universität Heidelberg, PaulScherrer-Institut és TU München 2008-ban B.4. A neutronradiográfia és –tomográfia felhasználási lehetőségei: Folyamatok valós idejű követése.

78

Első stroboszkópos leképezés: BMW motor Dugattyú olajhűtésének első vizualizációja! Szelepek (egymás mögött kettő)

Olajkenés a dugattyún Olajsugár lövell alulról a dugattyú aljára


79

Egy korszerű stroboszkópos kép: láncfűrész • Dinamikus neutron radiográfia: kétütemű láncfűrész motorja 8000 perc-1 fordulatszámon. • A fázisok különböző főtengely pozíciókat mutatnak. • Expozíciós idő: 50 µs, amivel a főtengely forgásának szögfelbontása 3 fok.

• Egy fázisban 1000 egyedi kép került kumulatív gyűjtésre. • Paul Scherrer Institut (PSI), Svájc


80

Tüzelőanyagcella @ RAD-DNR Optimális vízkezelés fontossága. A keletkező víz nagyban gátolja a gázok áramlását. Deutérium: Az tüzelőanyagcella üzemanyagát hidrogénról deutériumra változtatva a cella nehézvizet produkál, ami majdnem teljesen átlátszó a neutronok számára. A vízkicserélődési folyamatok jól követhetők az időben.


81

In situ (dinamikus) radiográfia @ RAD-DNR ANCARA – szuperkritikus víz (SCW) viselkedésének tanulmányozására alkalmas vízkör (p>22.1MPa, T>374C) Hűtőközeg a IV. generációs szuperkritikus nyomottvizes hűtésű reaktorokban A hűtőközeg termohidraulikai (pl. hőtranszfer) viselkedésének jobb megértése hatékonyabbá teheti a majdani energiatermelést p,T,v paraméterek: külső vezérlés Folyadék dinamikai kódok validációja Vezető: Nukleáris Technikai Intézet (BME)

Márton Balaskó, László Horváth et al.: Physics Procedia 43 ( 2013 ) 254 – 263


82

Szuperkritikus víz @ RAD-DNR

A SCW sűrűsége kontrollálható a gáz-, ill. folyadékszerű fázis között a nyomás és a hőmérséklet változtatásával Dinamikus radiográfia (hidrogén) végezhető néhányszor 10 millisecundumos időfelbontással B.4. A neutronradiográfia és –tomográfia felhasználási lehetőségei: Folyamatok valós idejű követése.

83

Valós idejű neutronradiográfia – építőanyagok Kapilláris felszívódás lakmuszpapírban Kapilláris felszívódás téglában

y  kxc c  0.048  4.022 105 k  (7.051  0.004) 105 m / s

t/ s

A gyakorlaton megcsináljuk !!!


84

10 secs takeaways

Neutron imaging (NI) is an effective tool in nondestructive material testing Thank you for your attention! 85

Képalkotás neutronokkal: radiográfia tomográfia

Recommend Documents