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La obtención de imágenes de neutrones es el proceso de crear una imagen con neutrones . La imagen resultante se basa en las propiedades de atenuación de neutrones del objeto fotografiado. Las imágenes resultantes tienen mucho en común con las imágenes de rayos X industriales , pero dado que la imagen se basa en propiedades de atenuación de neutrones en lugar de propiedades de atenuación de rayos X, algunas cosas fácilmente visibles con imágenes de neutrones pueden ser muy difíciles o imposibles de ver con rayos X. técnicas de imagen por rayos (y viceversa).
Los rayos X se atenúan según la densidad del material. Los materiales más densos detendrán más rayos X. Con los neutrones, la probabilidad de atenuación de neutrones de un material no está relacionada con su densidad. Algunos materiales ligeros, como el boro , absorberán neutrones, mientras que el hidrógeno generalmente los dispersará, y muchos metales de uso común permiten que la mayoría de los neutrones pasen a través de ellos. Esto puede hacer que las imágenes de neutrones sean más adecuadas en muchos casos que las imágenes de rayos X; por ejemplo, observando la posición y la integridad de la junta tórica dentro de componentes metálicos, como las juntas de segmentos de un Solid Rocket Booster .
El neutrón fue descubierto por James Chadwick en 1932. La primera demostración de la radiografía de neutrones la realizaron Hartmut Kallmann y E. Kuhn a finales de los años 1930. Descubrieron que al ser bombardeados con neutrones, algunos materiales emitían radiación que podía exponer la película . El descubrimiento siguió siendo una curiosidad hasta 1946, cuando Peters realizó radiografías de baja calidad. Las primeras radiografías de neutrones de calidad razonable las realizó J. Thewlis (Reino Unido) en 1955.
Alrededor de 1960, Harold Berger (EE.UU.) y John P. Barton (Reino Unido) comenzaron a evaluar neutrones para investigar el combustible irradiado de los reactores. Posteriormente, se desarrollaron una serie de instalaciones de investigación. Las primeras instalaciones comerciales entraron en funcionamiento a finales de la década de 1960, principalmente en Estados Unidos y Francia, y finalmente en otros países, incluidos Canadá, Japón, Sudáfrica , Alemania y Suiza.
Para producir una imagen de neutrones, se requiere una fuente de neutrones, un colimador para dar forma a los neutrones emitidos en un haz bastante monodireccional, un objeto del que se va a fotografiar y algún método para registrar la imagen.
Generalmente la fuente de neutrones es un reactor de investigación , [1] [2] donde está disponible una gran cantidad de neutrones por unidad de área (flujo). Se han completado algunos trabajos con fuentes isotópicas de neutrones (en gran parte fisión espontánea del Californio-252 , [3] pero también fuentes isotópicas Am - Be , etc.). Estos ofrecen menores costos de capital y mayor movilidad, pero a expensas de intensidades de neutrones mucho más bajas y una calidad de imagen significativamente menor. Además, ha aumentado la disponibilidad de fuentes aceleradoras de neutrones, incluidos los grandes aceleradores con objetivos de espalación [4] , que pueden ser fuentes adecuadas para la obtención de imágenes de neutrones. Generadores de neutrones portátiles basados en aceleradores que utilizan el neutrón produciendo reacciones de fusión de deuterio -deuterio o deuterio- tritio . [5]
Una vez producidos los neutrones, es necesario reducir su velocidad (disminución de la energía cinética ) hasta la velocidad deseada para obtener imágenes. Esto puede tomar la forma de una cierta cantidad de agua, polietileno o grafito a temperatura ambiente para producir neutrones térmicos . En el moderador, los neutrones chocarán con el núcleo de los átomos y, por tanto, disminuirán su velocidad. Con el tiempo, la velocidad de estos neutrones alcanzará cierta distribución basada en la temperatura (cantidad de energía cinética) del moderador. Si se desean neutrones de mayor energía, se puede calentar un moderador de grafito para producir neutrones de mayor energía (denominados neutrones epitermales). Para neutrones de menor energía, se puede utilizar un moderador frío, como el deuterio líquido, para producir neutrones de baja energía (neutrón frío). Si no hay moderador o hay menos moderador, se pueden producir neutrones de alta energía (denominados neutrones rápidos ). Cuanto mayor sea la temperatura del moderador, mayor será la energía cinética resultante de los neutrones y más rápido viajarán los neutrones. Generalmente, los neutrones más rápidos serán más penetrantes, pero existen algunas desviaciones interesantes de esta tendencia que, en ocasiones, pueden utilizarse en las imágenes de neutrones. Generalmente, un sistema de imágenes está diseñado y configurado para producir una sola energía de neutrones, y la mayoría de los sistemas de imágenes producen neutrones térmicos o fríos.
En algunas situaciones, puede desearse la selección de sólo una energía específica de neutrones. Para aislar una energía específica de los neutrones, las opciones son dispersar los neutrones de un cristal o cortar el haz de neutrones para separarlos en función de su velocidad, pero esto generalmente produce intensidades de neutrones muy bajas y conduce a exposiciones muy prolongadas. Generalmente esto sólo se lleva a cabo para aplicaciones de investigación.
Esta discusión se centra en las imágenes de neutrones térmicos, aunque gran parte de esta información se aplica también a las imágenes frías y epitermales. Las imágenes de neutrones rápidos son un área de interés para aplicaciones de seguridad nacional, pero actualmente no están disponibles comercialmente y generalmente no se describen aquí.
En el moderador, los neutrones viajarán en muchas direcciones diferentes. Para producir una buena imagen, los neutrones deben viajar en una dirección bastante uniforme (generalmente ligeramente divergente). Para lograr esto, una abertura (una abertura que permitirá que los neutrones pasen a través de ella rodeada de materiales absorbentes de neutrones) limita la entrada de neutrones al colimador. Una cierta longitud del colimador con materiales de absorción de neutrones (por ejemplo, boro) absorbe entonces los neutrones que no viajan a lo largo del colimador en la dirección deseada. Existe una compensación entre la calidad de la imagen y el tiempo de exposición. Un sistema de colimación más corto o una apertura más grande producirá un haz de neutrones más intenso, pero los neutrones viajarán en una variedad más amplia de ángulos, mientras que un colimador más largo o una apertura más pequeña producirán más uniformidad en la dirección de viaje de los neutrones, pero significativamente. Habrá menos neutrones presentes y el resultado será un tiempo de exposición más largo.
El objeto se coloca en el haz de neutrones. Dada la mayor falta de nitidez geométrica que se encuentra con los sistemas de rayos X, el objeto generalmente debe colocarse lo más cerca posible del dispositivo de grabación de imágenes.
Comúnmente se emplea una variedad de métodos para detectar y registrar imágenes de neutrones. Hasta hace poco, las imágenes de neutrones se registraban generalmente en películas de rayos X, pero ahora están disponibles una variedad de métodos digitales.
Aunque existen numerosos métodos diferentes de grabación de imágenes, los neutrones generalmente no se miden fácilmente y deben convertirse en alguna otra forma de radiación que se detecte más fácilmente. Generalmente se emplea algún tipo de pantalla de conversión para realizar esta tarea, aunque algunos métodos de captura de imágenes incorporan materiales de conversión directamente en la grabadora de imágenes. A menudo, esto toma la forma de una fina capa de gadolinio , un absorbente muy potente de neutrones térmicos. Una capa de gadolinio de 25 micrómetros es suficiente para absorber el 90% de los neutrones térmicos que inciden sobre ella. En algunas situaciones se pueden utilizar otros elementos como boro, indio , oro o disprosio o materiales como pantallas de centelleo de LiF donde la pantalla de conversión absorbe neutrones y emite luz visible.
La película es generalmente la forma de obtención de imágenes de neutrones con mayor resolución, aunque recientemente los métodos digitales con configuraciones ideales están logrando resultados comparables. El método más utilizado utiliza una pantalla de conversión de gadolinio para convertir neutrones en electrones de alta energía, que exponen una única película de rayos X de emulsión.
El método directo se realiza con la película presente en la línea de luz, por lo que los neutrones son absorbidos por la pantalla de conversión que rápidamente emite algún tipo de radiación que expone la película. El método indirecto no tiene una película directamente en la línea de luz. La pantalla de conversión absorbe neutrones, pero existe un retraso antes de la liberación de radiación. Después de grabar la imagen en la pantalla de conversión, la pantalla de conversión se pone en estrecho contacto con una película durante un período de tiempo (generalmente horas), para producir una imagen en la película. El método indirecto tiene importantes ventajas cuando se trata de objetos radiactivos o sistemas de imágenes con alta contaminación gamma; de lo contrario, generalmente se prefiere el método directo.
La radiografía de neutrones es un servicio disponible comercialmente, ampliamente utilizado en la industria aeroespacial para probar palas de turbinas para motores de aviones, componentes para programas espaciales, explosivos de alta confiabilidad y, en menor medida, en otras industrias para identificar problemas durante los ciclos de desarrollo de productos.
Los neutrones se pueden convertir en iones que pasan a través de un detector de pista nuclear hecho de plástico como celulosa o CR-39 . Los iones producen rastros de daño químico llamados pistas de iones . Luego se utiliza un baño ácido para grabar el plástico, ampliando las pistas hasta convertirlas en agujeros que son visibles al microscopio. [6] [7] También es posible utilizar detectores de seguimiento nuclear para detectar neutrones sin una pantalla de conversión, ya que los neutrones pueden dispersar los núcleos en el propio plástico. [8]
Existen varios procesos para tomar imágenes digitales de neutrones con neutrones térmicos que tienen diferentes ventajas y desventajas. Estos métodos de obtención de imágenes se utilizan ampliamente en los círculos académicos, en parte porque evitan la necesidad de procesadores de películas y cuartos oscuros, además de ofrecer una variedad de ventajas. Además, las imágenes de películas se pueden digitalizar mediante el uso de escáneres de transmisión.
Una cámara de neutrones es un sistema de imágenes basado en una cámara digital o un conjunto de detectores similar. Los neutrones pasan a través del objeto del que se va a fotografiar y luego una pantalla de centelleo los convierte en luz visible. Luego, esta luz pasa a través de algunas ópticas (destinadas a minimizar la exposición de la cámara a la radiación ionizante), luego la imagen es capturada por la cámara CCD (también existen otros tipos de cámaras, incluidas CMOS y CID, que producen resultados similares).
Las cámaras de neutrones permiten obtener imágenes en tiempo real (generalmente con baja resolución), lo que ha resultado útil para estudiar el flujo de fluidos en dos fases en tuberías opacas, la formación de burbujas de hidrógeno en pilas de combustible y el movimiento de lubricantes en motores. Este sistema de imágenes, junto con una mesa giratoria, puede tomar una gran cantidad de imágenes en diferentes ángulos que pueden reconstruirse en una imagen tridimensional (tomografía de neutrones).
Cuando se combinan con una pantalla de centelleo delgada y una buena óptica, estos sistemas pueden producir imágenes de alta resolución con tiempos de exposición similares a las imágenes de película, aunque el plano de imagen generalmente debe ser pequeño dado el número de píxeles en los chips de cámara CCD disponibles.
Aunque estos sistemas ofrecen algunas ventajas significativas (la capacidad de realizar imágenes en tiempo real, simplicidad y costo relativamente bajo para aplicaciones de investigación, resolución potencialmente razonablemente alta, visualización rápida de imágenes), existen desventajas significativas que incluyen píxeles muertos en la cámara (que resultan de la exposición a la radiación). ), la sensibilidad gamma de las pantallas de centelleo (que crean artefactos de imagen que normalmente requieren un filtrado medio para eliminarse), el campo de visión limitado y la vida útil limitada de las cámaras en entornos de alta radiación.
Las placas de fósforo fotoestimulables utilizadas para detectar rayos X se pueden utilizar junto con un escáner láser para producir imágenes de neutrones de forma muy similar a como se producen las imágenes de rayos X con el sistema. Los neutrones aún deben convertirse en alguna otra forma de radiación para ser capturados por la placa de imágenes. Durante un corto período de tiempo, Fuji produjo placas de imágenes sensibles a neutrones que contenían un material convertidor en la placa y ofrecían una mejor resolución que la posible con un material de conversión externo.
Las placas de imágenes ofrecen un proceso muy similar a la de imágenes en película, pero la imagen se graba en una placa de imágenes reutilizable que se lee y se borra después de la imagen. Estos sistemas sólo producen imágenes fijas. Utilizando una pantalla de conversión y una placa de imágenes de rayos X, se requieren tiempos de exposición comparables para producir una imagen con una resolución más baja que la de una película. Las placas de imagen con material de conversión incorporado producen mejores imágenes que las de conversión externa, pero actualmente no producen imágenes de la misma calidad que las películas.
Los detectores de silicio de panel plano son una técnica digital similar a las imágenes CCD. La exposición a neutrones reduce la vida útil de los detectores, lo que ha hecho que otras técnicas digitales se conviertan en enfoques preferidos.
Las placas de microcanales son un tipo emergente de detector digital con tamaños de píxeles muy pequeños. El dispositivo tiene pequeños canales (micrómetros) a través de él, con el lado de la fuente recubierto con un material absorbente de neutrones (generalmente gadolinio o boro). El material absorbente de neutrones absorbe neutrones y los convierte en radiación ionizante que libera electrones. Se aplica un gran voltaje a través del dispositivo, lo que hace que los electrones liberados se amplifiquen a medida que se aceleran a través de los pequeños canales y luego son detectados por un conjunto de detectores digitales.
CSIRO desarrolló un sistema para escanear contenedores de carga utilizando radiografía de rayos gamma y neutrones rápidos y lo probó en el Aeropuerto Internacional de Brisbane en 2005-2006. Utilizó generadores de neutrones y una fuente de rayos gamma para producir haces colimados, con contenedores de carga pasando sobre una cinta transportadora de cadena a través de un túnel, y detectores de neutrones centelleadores y detectores de rayos gamma montados en columnas en el lado opuesto del túnel. Los contenedores tardarían aproximadamente 2 minutos en pasar por el dispositivo. [9]
A diferencia del escaneo de rayos X, que puede detectar elementos metálicos como armas de fuego pero tiene problemas con otras sustancias, la radiografía de neutrones rápidos y rayos gamma es sensible a una amplia gama de materiales. Además, midiendo las relaciones entre la atenuación de neutrones y la atenuación de rayos gamma, es posible analizar la composición elemental de las sustancias escaneadas. [9]
En 2009 se desarrolló y probó en Beijing una versión mejorada del escáner, denominado escáner de carga aérea AC6015XN y desarrollado conjuntamente por Nuctech y CSIRO. El AC6015XN ocupaba menos espacio, tenía un blindaje diferente y hacía dos rayos X estereoscópicos (producidos por un acelerador lineal ) en lugar de haces de rayos gamma, y detectores de rayos X tanto en el costado como en la parte superior del túnel. La dosis de radiación de neutrones fue de aproximadamente 8 microsieverts (800 μrem) y estaba muy por debajo de los límites establecidos para la irradiación de alimentos en países como el Reino Unido y los Estados Unidos de América. [9]
