\
_
•
"
/
KFKI-1983-7*
BALASKÓ MÄRTON CSER LÁSZLÓ SVÁB ERZSÉBET ZSIGMOND GYÖRGY
NEUTRON RADIOGRÁFIAI ALKALMAZÁSOK A KÖZPONTI FIZIKAI KUTATÓ INTÉZET WR-SZM KUTATÓ REAKTORÁNÁL
Ibwgeríaa %сшка& ofVekaee» CENTRAL RESEARCH INSTITUTE FOR PHYSICS BUDAPEST
NEUTRON RADIOGRÁFIAI ALKALMAZÁSOK A KÖZPONTI FIZIKAI KUTATÓ INTÉZET WR-SZn KUTATÓ REAKTORÁNÁL BALASKO N.. CSER L., SVÁB ERZSCBET, ZSIGMOND GY. Központi Fizikai Kutató Intézet 152S Budapeet 114, Pf. 49
HU ISSN 0368 5330 ISBIT 981 172 116 в
KIVONA: Neutron radiográfiai kísérleti elrendezést létesítettünk а КПС1 WR-SZM 4,6 tm-ош reaktoránál termikus neutronokat falhastnálva. A nautron fény-»átalakitázra szcintillációs lemezt /*Ur + XnS(Ag)/ alkalmasunk és a képrögzí tést polaroid fi lawn illetve nagyérzékenységű kamrával végezzük. így a sta tikus szerkezetek Megfigyelésén túlmenően dinamikus jelenségek megfigyelésé re is lehetőségünk van.
АННОТАЦИЯ Была создана установка для проведения нейтроно-радиографических измере ний тепловыми нейтронами на реакторе ЦИФ-И типа ВВР-СМ мояностыо 4,6 МВт. Пре образователем нейтронного пучка в свет служил сцинтиллятор / Ы Р + ZnS(Ag)/. Регистрация картин осуществлялась либо при помочи поляроидного фильма, ли бо высокочувствительной телекамерой. В результате, помимо статических изо бражений мы получили возможность наблюдения динамических процессов. 6
ABSTRACT Neutron radiographic experimental equipment has been constructed at the WR-вИ 4.6 Mf research reactor in the Central Research Institute for Physics. Scintillation screen /*ЫГ + ZnS(Ag)/ is used for the neutron-alight convertation and for the storage of the picture polaroid film or high-sensitivity camera is used. Thus, besides the observation of the static structures we have the opportunity for the visualization of dynamical events.
ш
TARTALOMJEGYZÉK
/
1. Bevezetés
1
2. A KFKI-ban kiépített neutron radiográfiai kísérleti elrendezés
5
3. Műszaki alkalmazások
8
4. Mezőgazdasági alkalmazások
13
5. összefoglalás
18
1. BEVEZETÉS A roncsolásmentes módszerek az anyagvizsgálatban elsőrendű fontosságúak. Segítségükkel az adott objektum szerkezete, össze tétele, egy technológiai folyamat eredményének a minősége ugy vizsgálható, hogy az objektumot a további felhasználás, működés szempontjából nem éri semmiféle káros vagy roncsoló behatás. A neutron radiográfia a roncsolásmentes anyagvizsgálat egy vi szonylag uj módszere, amelyet a ma már klasszikusnak számitó röntgen- ill. gamma-radiográfia mellett az utóbbi 20 évben ru tinszerűen alkalmaznak, elsősorban az USA-ban, Angliában, Fran ciaországban és Japánban a reaktorcentrumoknál kialakított labo ratóriumokban . A radiográfiai módszer lényege a következő: a sugárzás út jába helyezzük a tárgyat és a tárgy mögött megfelelő érzékelő segítségével láthatóvá tesszük az árnyképet. Az ilyen módon ka pott kép információt tartalmaz a minta belsejéről az abban bekö vetkezett szórás és abszorpció következtében. A neutron radiográfia nemcsak kiegészíti a röntgen és gamma radiográfiát, hanem teljesen uj lehetőségeket is kinál olyan te rületeken, ahol a másik kettő nem alkalmazható. A röntgen- és gamma sugarak az elemek elektronhéjával lépnek kölcsönhatásba és a kölcsönhatás mértékére jellemző anyagi állandó - a tömeggyen gítési együttható - az elemek tömegszámával arányosan változik, így elsősorban a nehezebb elemek lesznek megfigyelhetők a rönt gen radiográfiai képeken, és a könnyű elemek, mint pl. a hidro gén alig hagy nyomot. A neutronok az atommaggal lépnek kölcsön hatásba és a neutron tömeggyengítési együttható a rendszámmal semmilyen egyértelmű összefüggést nem mutat. Néhány elem, mint pl. a hidrogén, bór, kadmium, gadolinium igen erősen gyengíti a neutronszórás intenzitását, mig más fémekre a tömeggyengítési
- 4 együttható egészen alacsony értéket vesz föl /pl. aluminium/. A neutronsz6rásnak ez a tulajdonsáaa az alkalmazások széles kö rét teszi lehetővé.
•t" л
sr
«'
et» / Л
•
* •*
••
•
w •
» - • ' •
и. , • t
••• с»
• •
.oi
«?.
•
°*
fr
»•и».
-1_...J
..
• NCUTR0NS (X 1 М X) • • ^ » xKATSiX о owl» I
1
.
1 90
«'.L...._!.. м
•о
70
I •о
to
too
ATOMSZÁM Az anyagon áthaladó neutron- ill. röntgensugárzás gyengülé sét kifejező tömeg gyengítési együttható. Mig a röntgensugárzáe esetiben a tömeg számmal arányosan változik /folyto nos vonal/ és értéke két nagyságrendet fog át, addig neut ronsugárzás esetében a tömegszámmal semmilyen egyértelmű összefüggést nem mutat /diszkrét pontok/ és értéke hat nagyságrendet fog át. Az első neutronradiográfiai kísérleteket a neutron felfede zését /Chadwick, 1932/ követő években végezték [1]. Ezek a mun kák elsősorban a detektálási módszer kidolgozására irányultak. Anyagvizsgálati célokra mintegy húsz évvel később [ 2] az atom reaktorok elterjedése után kezdték alkalmazni. A neutron radiográfia leginkább elterjedt alkalmazási területe napjainkban is mig a reaktor technológia/ ahol is radioaktiv anyagok belse jébe kívánunk belátni. Az egyéb/ reaktor-bázisú általános ipari alkalmazások igen szerteágazóak /lásd 5. fejezet/. Speciális/
- 5 pl. nagy kontrasztot nyújtó vizsgálatokra a könnyen hozzáférhető és kísérleti laboratóriumokban telepíthető neutronforrások is alkalmazhatók. Ezekből nyert termikus neutron-fluxus természete sen több nagyságrenddel kisebb a reaktorból nyerhetőénél. A Központi Fizikai Kutató Intézet WR-SZM kutatóreaktoránál kiépítettünk egy statikus és dinamikus jelenségek megfigyelésére alkalmas kísérleti elrendezést. A berendezésűnk nyújtotta lehető ségeket kívánjuk ebben a munkában bemutatni.
2. A KFKI-BAN KIÉPÍTETT NEUTRON RADIOGRÁFIAI KÍSÉRLETI ELRENDEZÉS Neutron radiográfiai vizsgálatok céljára a KFKI WR-SZM tí pusú 4,6 MW-os reaktora mellett kétfajta kísérleti elrendezést hoztunk létre. Statikus jelenségek gyors vizsgálatára polaroid filmes képrögzitési módszert alkalmazunk, mig a minőségileg más jellegű, dinamikus jelenségek megfigyelésére nagyérzékenységű ka merát használunk. A kísérletekhez monokromatikus* és kollimált termikus neutronokat használunk. A neutronokat egy LiF+ZnS/Ag/ összetételű szcintillációs konverter lemez segítségével tesszük a film illetve, a kamera számára láthatóvá. A neutron •*• fény át alakítás a következő magreakció alapján játszódik le: 6
3
4
Li + n + T + He + 4,8 MeV,
3 4 a T és a He /a-részecske/ fékeződés közben fényfelvillanást hoz létre a ZnS-ban.
*A neutron nyaláb monokromatizálása nem követelménye a neutron radiográfiának, csak a megfelelő kollimálás. Sőt a reaktorból nyert fehér spektrum intenzitása néhány nagyságrenddel nagyobb lenne a jelenlegi fluxusnál, ami nagy előnyt jelentene. Az al kalmazott monokromatizálás oka az, hogy egy más célra készült és használt neutronspektrométer védelmét használjuk fel a ra diográfiai méréseknél.
- 6 a/ Alló-képes neutron radiográfiai elrendezés
Konverter
Neutren nyaláb Vizsgäandb tárgy A VVR-SM reaktor 4. ez. csatornája mellett kialakított álló-képes neutron radiográfiai elrendezés vázlatot rajza. A képalkotáshoz szükséges exponálási idő 10-30 sec.
A kísérleti elrendezésünk felbontó képességét az 1 mm vastag, nagy neutron ábszorboióju Cd-lemezen fúrt lyukak neutron radiográfiai képe szemlélteti. A lyukak átmérő je: ,0,5; 1; 1,5; 2; 3; 4 és S mm.
Megjegyezzük/ hogy a felbontó képesség fokozható, amennyiben nem szcintillációs lemezt, hanem Gd-fóliát használunk konverterként. A feladat jellege határozza meg az alkalmazandó neutrondetektálási módot.
- 7 b/ Álló és Mozgóképes neutron radiográfiai elrendezés
Neutron nyeiáé Vfzigüanäi АЬад
Dinamikus jelenségek megfigyelésére radiográfiai elrendezés
kiépített
neutron
A neutron •*• fény konverter mögé nagyérzékenységű TV kamerát helyezve a vizsgálandó tárgy árnyképe TV képernyőn megfigyelhető. A kameránk /HT-1122/ képrögzítés! ideje 40 msec, ami elegendően hosszú ahhoz, hogy megfelelő minőségű képet kapjunk és ugyanakkor elég rövid is ahhoz, hogy a nem tul gyorsan változó jelenségeket, mint pl. csőben áramló folyadékot, forrásban levő folyadékot vagy mechanikus alkatrészek mozgását megfigyelhessük. A TV-kamerás megfigyelési mód nemcsak a mozgó jelenségek megfigyelésekor jelent előnyt, hanem sok egyéb esetben is. Pél dául, ha a neutron nyaláb méreténél nagyobb tárgyat kívánunk meg figyelni, A tárgyat mozgatva a kamera előtt /és egyben a neutron nyaláb előtt is/ a tárgy végigvizsgálható egész méretében, és szükség esetén kiválaszthatjuk a további megfigyelésre ill. kép rögzítésre érdemes részeket.
- 8 3. MŰSZAKI ALKALMAZÁSOK A neutron radiográfiai kisérleti elrendezésünk nyújtotta lehetőségek demonstrálására néhány példát mutatunk be. a műszaki alkalmazások köréből. Természetesen csak a statikus neutron radiográfia alkalmazhatóságát tudjuk szemléltetni, a dinamikus ne utron radiográfiai módszer alkalmazhatóságára mindössze helyen ként utalunk.
3.1 Tágyak belső felépítésének megfigyelése Sokszor szükségűnk van arra, hogy ismeretlen belső felépí tésű tárgyaknak roncsolásmentesen megismerjük a szerkezeti fel építését vagy egyes alkotó elemeinek a paramétereit. A szétsze relés azonban bonyolult munkával járna, sőt nem is mindig lehet újra összeszerelni a megvizsgált tárgyat. A neutron radiográfia ilyen esetekben való használhatóságát mutatják az alábbi ábrák.
Kisméretű motor műanyag dttételmüvel
•
Fényképezőgép
objektiv
fogaekerék-
- 9-
Tranzisztor,
dióda ét
tirisztor
Repülő-modell motor. Dinamikus neut ron radiogrdfiával megfigyelhetjük a belső égésű motorok alkatrészeit mű ködés közben is.
64 kbites buborék memória tok. Az informdoiót hordozó gadolinium-gallium grdndt elhelyezkedése igen kritikus. A neutron radiográfiai képen ez igen könnyen el lenőrizhető".
- 10 3.2 Ismeretlen vastagságok «érése A neutronok útjába helyesett anyag a ráeső I intenzitást az I«I exp/-od/ összefüggés szerint gyengiti, ahol d az anyag vastagsága és о a tömeggyengítési együtthatóval összefüggésben lev6 anyagi állandó. Kalibrációs görbék felvételével az anyag ismeretlen vastagsága meghatározható (transzmissziós mérésből» T -i/i >. r
0
«.•ersswvz
50-
5. Viz
Voitegtigímm] 20 Néhány, a gyakorlatban fontos anyag tényezője /trans»misв»iá/ a vastagság
40 neutrongyengitési függvényében.
3.3 Pirotechnikai alkalmazások Ismeretes, hogy a kilőtt lövedék célba találásának valószí nűsége jelentős mértékben függ az indulási ballisztikai paraméte rektől. Ezek összefüggésben vannak a lőszerben levő töltet menynyiségével. Az összeszerelt robbanó anyagoknál igen fontos a de tonátor elhelyezkedése is.
11
Lőszerek fokának
töltöttségi ellenőrzése
Fel nem robbant repeszgránát neutronokkal átvilágított képe
3.4 Zárt edényben folyadékszint ellenőrzése Sok esetben robbanásveszélyes gáz nyoroása alatt vagy bonyo lult kiképzésű tartályban levő folyadék szintjét kell ellenőriz ni. Itt is jól alkalmazható a neutron radiográfia.
A kép alsó részén jól látható a kettős falu. csövet /S mm teljes falvastagság, 30 mm átmérő/ kb. félmagaeságig kitöltő folyadék /viz/. A felső részen két egy másba átmenő ill. csatlakozó cső látható.
- 12 3.5 Folyadék-diffózió porózus közegben Dinamikus neutron radiográfia segítségével időben jól kö vethető a különböző viszkozitású folyadékok /pl. olaj, viz/ dif fúziója az anyag belsejében.
Különböző viszkozitású folyadékok diffúziója krétában; olaj, viz ill* az összehasonlítást szolgáló etalon krétadarab /balról jobbra/. A kis viszkozitású folyadékok diffúziója /időben/ csak а TV kamerás dinamikus neutron radiogrdfiával követhető.
3.6 Folyadék áramlása közben lejátszódó jelenségek vizsgálata Zárt rendszerben számos ok miatt /pl. kavitáció, letapadt buborékok/ nem tud kialakulni a folyamatos folyadékáramlás. Ezek a jelenségek jói nyomon követhetők dinamikus neutron radiográfiával. Példaként egy 2 mm fal' vastayságu csőben áramló folya dékban letapadt buborékot muta tunk be.
Folyadékot áramoltató letapadt buborék
esőben
- 13 3.7 Egykristály szemcsék kimutatása polikristályos anyagban Ipari célra alkalmazott polikristályos fémek és ötvözetek mechanikai tulajdonságait erősen befolyásolják az anyagban levő viszonylag nagy méretű /milliméter nagyságrendű/ egykristály szemcsék, amelyek már az elSállitás, de sok esetben a használat során alakulnak ki. Ezért igen fontos ezek kimutatása roncsolásmentes anyagvizsgálati módszer segítségével, amire lehetőséget nyújt a neutronszórás.
Repülőgép turbinalapát neutronszórási képe az 50-dik üzemóra /bal oldali kép/ ée 400-dik üzemóra után /jobb oldali kép/. Jól látha tók az igénybevétel hatására /hőmérséklet, centrifugális erő/ ki alakuló egykristály szemcsék méretének és számának a változása.
4. MEZŐGAZDASÁGI ALKALMAZÁSOK Előkisérletként neutronokkal átvilágítottunk egy 2 cm vas tagságú talajban elhelyezett növényt. A neutron radiográfiai ké pen jól kirajzolódott a gyökérzet.* Ez a megfigyelésünk felvetette •Természetesen a kísérlethez nem tul nedves talajt használtunk, hiszen a neutronok számára a víztartalom /a hidrogének nagy tö meggyengítési együtthatója/ koncentráció különbsége adja a kont rasztot.
- 14 a Kérdést, vajon a természetes körülmények között, a talajban fejlődő gyökér láthat6-e a neutronok szamára. Ilyen tipusu vizs gálatokat Ismereteink szerint máshol még nem végeztek, és érde kes megfigyelésekre adhat lehetőséget a gyökér morfológiájának tanulmányozása terén. Hiszen a talajba nem láthatunk be,* és ha a gyökeret kimostuk a talajból gyökérvizsgálat céljából, vissza ül tetés után már nem fog ugyanúgy továbbfejlődni. A kísérletekhez babot, kukoricát, borsót, cukorrépát és napraforgó magokat választottunk. A mintatartót vékony falu /0,2 mm/ aluminium fóliából készítettük, a föld vastagsága a neutron nyaláb irányában két cm, mélysége 12 cm, a mintatartó szélessége pedig 15 cm. Egyszerre maximum négy darab magot ttl tettünk egy kísérleti edénybe. Természetesen felmerült a kérdés, vajon a neutron besugárzás nem okoz-e sugárkárosodást a magok csírázásában. Ezért ellenőrző méréseket is végeztünk. Tapasztalataink szerint nem volt különb ség a naponta átvilágított növényke és a csak két hét után, a levelek kifejlődése után először átvilágított növény fejlődése között. Ez várható is volt, mivel a neutron átvilágítási idők igen rövidek, átlagosan 15 sec. így pl. a két héten keresztül minden nap egyszer átvilágított növénykét összességében 4 perc nél rövidebb ideig éri a sugárzás. Néhány példát kiragadva bemutatjuk a neutron radiográfiai módszerünk nyújtotta lehetőségeket a csírázás és a gyökérzet növekedésének megfigyelésére. A következő képsoron a bab csírázását mutatjuk be ültetés től 11 napos csírázásig.
*A gyakorlatban a gyökerek megfigyelését ugy végzik, hogy üvegla pot helyeznek a talajba és arra rászórják a földet. A talajt el távolítva láthatóvá válik a gyökérzet, de természetesen csak az üveglap közelében.
- 15 -
7777
77Г
Közvetlenül a talajba ültetés utdn készült felv"tel.
7777
777Г
777T
4 napos csírázás. Jól látszanak a megduzzadt magok és gyökérkezde mények.
ТГГ
7 napos osirázás. A két szikiével kezd szétválni és kibújik a talajból.
- 16 -
7777*
777/
ITT
Bab 8zára 22 паров asirdzde után. Jól kivehető a szár belsejében húzódó kisebb eürüeégü bélanyag.
7777
7777
И паров oeirdzde. A gyökér lényegében téliesen kifejlődött, jól Idtezanak a hajezdlgyökerek ie. A feleő kép a ezdrréezt mutatja a ezétnyilő ezíklevelekkel.
TTTT
Az elhalőfélben levő növény /bab/ gyökere ée a kiezdradt szdrréez mdr egydltaldn nem, vagy alig Idtezik a leaeökkent víztar talom miatt.
- 17 Az alábbi képsoron kukorica és borsó magok csirázását mutatjuk be.
7777
7777
4 паров
7777
7 napos
aeivdzde.
aeivdzde.
ТТЛ
17777
7777
11 паров aeivdzde.
A kifejlett gyökérzete az ültetés
kukorioa /80 nappal utdn/.
- 18 -
A cukorrépa mag belsejében jól kivehető' a csirasejt elhelyezkedése /sötét folt/. A 2 cm átmérőjű világos folt a neutron nyaláb által átvilágított felület, amelybe egyidejűleg 4 db magot helyez tünk el. Az ábra 6 különböző" felvételt mutat, vagyis 24 különböző" magnak az árnyképét látjuk.
5. ÖSSZEFOGLALÁS Az alábbiakban Irodalmi ismereteinkre ill. saját tapasztala tainkra támaszkodva felsoroljuk - a teljesség igénye nélkül - a neutron radiográfia azon alkalmazási területeit, amelyek müvelé sére hazánkban is lehetőség van. 1. Reaktor technológia és radioaktiv anyagok vizsgálata [3,4] pl. hasadó anyag eloszlásának meghatározása fűtőelemekben, szabályozó rudak homogenitásának és idegen anyag tartal mának vizsgálata, fűtőelemek szerkezeti felépítésének el lenőrzése . 2. Ismeretlen belső szerkezetű tárgyak megfigyelése. 3. Detonátorok, lőszerek belső kialakításának, töltöttségi fokának ellenőrzése. 4. Műanyagok ellenőrzése anyaghibák /pl. légzárványok/ szem pontjából. 5. Fémekben előforduló zárványok vizsgálata.
- 19 6. Folyadékszint» szerves anyagok elhelyezkedésének vizsgá lata fémcsövekben és csőrendszerekben. 7. Blektrolitikusan felvitt Cd-réteg homogenitásának és folytonosságának ellenőrzése. 8. Elektromos eszközök, alkatrészek vizsgálata. 9. Buborék memória eszközök ellenőrzése /pl. a Gd-tartalmu egykristály lapka elhelyezkedése a műanyag tokban/. 10. Folyadékok áramlási tulajdonságainak megfigyelése fém csövekben. 11. Robbanó motorok szerkezeti elemeinek vizsgálata működés közben. 12. Szénhidrogén kutatás /pl. szénhidrogén tartalmú közetek vizsgálata/. 13. Orvosi ill. folyadékáramláson alapuló műszerek prototípu sainak fejlesztése. 14. Biológiai kutatásoknál. 15. Mezőgazdasági kísérleteknél. Megjegyezzük, hogy a neutronok energiája igen széles tarto mányban változhat és a tömeggyengítési együttható nagysága fordí tottan arányos a neutron energiájával. így a termikus /0,01 - 0,3 eV/ és az epitermikus /0,3 - 10 keV/ neutronoknak nagyobb az elnyelődése az anyagban, mint a gyors neutronoknak /10 keV - 20 MeV/. Radiográfiai vizsgálatokra általában a termikus neut ronok a legmegfelelőbbek. A nagyon kis energiájú, un. hideg neut ronok /<0,01 eV/ esetében más jellegű fizikai folyamatok játszód nak le, aminek következtében a fémek nagy része csaknem teljesen átlátszóvá válik, így nemcsak a folyadék, de a gázeloszlás is megfigyelhetővé válik akár több centiméter vastag fém alkatré szekben. A nyugat-európai kutató reaktorok mellett /Franciaország ban, Angliában/ az utóbbi években egyre inkább tért nyernek a hi deg neutron csatornák kiépítése neutron radiográfiai vizsgálatok céljára /rakéta hajtóművek, repülőgép-, gépjármű motorok belse jében lejátszódó jelenségek megfigyelésére nyílik lehetőség üzemi állapotban/. Napjainkban kétségtelenül a nukleáris iparban terjedt el leginkább a neutron radiográfiai módszer. Ennek oka, hogy radio aktiv anyagok szerkezete röntgen ill, gamma sugárzással egyáltalán
- 20 nem vizsgálható. Európában Mintegy 20 reaktor bázisú kutató la boratóriumban foglalkoznak ilyen vizsgálatokkal. A kísérleti módszer fontosságát jelzi, hogy az USA-ban nemrégiben két kis teljesítményű reaktort /250 kW/ építettek nukleáris laboratóriu mok számára neutron radiográfiai vizsgálatok végzésére és egy további reaktor épitése van folyamatban. Egyéb alkalmazási területeit illetően - az utóbbi tiz évben megfigyelhető növekvő térhódítása alapján - a neutron radiográfia robbanásszerű fejlődése várható az elkövetkező évtizedekben mind teljesítőképességét, mind alkalmazását illetően.
IRODALOMJEGYZÉK [1] H. Kallman, Research 1 /1947-48/, p. 254 és 0. Peter, A.E.R.E. Trans. 1111 /1946/ [2] J. Thewlis, R.T.P. Derbyshire, A.E.R.E. N/TN 3 7/1956/ [3] A Budapesti Műszaki Egyetem Tanreaktora mellett kiépített neutron radiográfiai mérőhelyen folynak ilyen vizsgálatok [4] Bod L., Neutron radiográfia /publikálatlan kézirat/ [5] J.H. Berger Neutron Radiography, Alsevier Publishing Company /1965/ [6] Neutron radiography handbook, Ed. by P. van der Hardt and H. Röttger, D. Reidel Publishing Company, /1981/ [7] The neutron and its applications, 1982, Ed. by P. Schofield, Conference Series number 64, The Institute of Physics Bristol and London
1
• ' [ • »
т
.*..•:'•.
* Л ,-* - * чщ »\ е- э 5; fc ft У
1
Kiadja a Központi Fizikai Kutató Intézet Г«1«1ба kiadót хгоб Horbart •zakMi laktori Roata Lázzlé Gépaltas Végvári Xatvánné Példinyazfaii 2 Ю Törzaazam 83-456 Kéezfllt а КГХХ aokatoroaité (izmiéban ral«16a vázat6» Nagy Károly Mdapaat» 1993. auguzztuá hé
íé^WWí