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La obtención de imágenes con neutrones es el proceso de crear una imagen con neutrones . La imagen resultante se basa en las propiedades de atenuación de neutrones del objeto representado. Las imágenes resultantes tienen mucho en común con las imágenes industriales de rayos X , pero como la imagen se basa en las propiedades de atenuación de neutrones en lugar de las propiedades de atenuación de rayos X, algunas cosas que son fácilmente visibles con imágenes de neutrones pueden ser muy difíciles o imposibles de ver con técnicas de imágenes de rayos X (y viceversa).
Los rayos X se atenúan en función de la densidad de un material. Los materiales más densos detendrán más rayos X. En el caso de los neutrones, la probabilidad de atenuación de los 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 la obtención de imágenes de neutrones sea más adecuada en muchos casos que la obtención de imágenes de rayos X; por ejemplo, para observar la posición y la integridad de las juntas tóricas dentro de los componentes metálicos, como las juntas de los segmentos de un cohete propulsor de combustible sólido .
El neutrón fue descubierto por James Chadwick en 1932. La primera demostración de la radiografía de neutrones fue realizada por Hartmut Kallmann y E. Kuhn a finales de la década de 1930. Descubrieron que, al ser bombardeados con neutrones, algunos materiales emitían una radiación que podía exponer las películas . El descubrimiento siguió siendo una curiosidad hasta 1946, cuando Peters realizó radiografías de baja calidad. Las primeras radiografías de neutrones de calidad razonable fueron realizadas por J. Thewlis (Reino Unido) en 1955.
Hacia 1960, Harold Berger (EE. UU.) y John P. Barton (Reino Unido) comenzaron a evaluar los neutrones para investigar el combustible irradiado de los reactores. Posteriormente, se desarrollaron varias instalaciones de investigación. Las primeras instalaciones comerciales entraron en funcionamiento a fines de la década de 1960, principalmente en los Estados Unidos y Francia, y eventualmente en otros países, incluidos Canadá, Japón, Sudáfrica , Alemania y Suiza.
Para producir una imagen de neutrones, se requieren una fuente de neutrones, un colimador para dar forma a los neutrones emitidos en un haz bastante unidireccional, un objeto a fotografiar y algún método para registrar la imagen.
Generalmente, la fuente de neutrones es un reactor de investigación , [1] [2] donde se encuentra disponible una gran cantidad de neutrones por unidad de área (flujo). Se han realizado algunos trabajos con fuentes isotópicas de neutrones (en gran parte fisión espontánea de californio-252 , [3] pero también fuentes isotópicas Am - Be y otras). Estas ofrecen menores costos de capital y mayor movilidad, pero a expensas de intensidades de neutrones mucho menores y una calidad de imagen significativamente menor. Además, las fuentes de neutrones de aceleradores han aumentado en disponibilidad, incluidos grandes aceleradores con objetivos de espalación [4] y estos pueden ser fuentes adecuadas para la obtención de imágenes de neutrones. Generadores de neutrones basados en aceleradores portátiles que utilizan las reacciones de fusión productoras de neutrones de deuterio -deuterio o deuterio- tritio . [5]
Una vez que se producen los neutrones, es necesario reducir su velocidad (disminuir la energía cinética ) hasta alcanzar la velocidad deseada para la obtención de imágenes. Esto puede hacerse con una pequeña cantidad de agua, polietileno o grafito a temperatura ambiente para producir neutrones térmicos . En el moderador, los neutrones colisionarán con el núcleo de los átomos y, por lo tanto, se ralentizarán. Finalmente, la velocidad de estos neutrones alcanzará cierta distribución en función de 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 (neutrones fríos). Si no hay moderador o hay una cantidad reducida, 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 estos. Por lo general, los neutrones más rápidos serán más penetrantes, pero existen algunas desviaciones interesantes de esta tendencia que, a veces, se pueden utilizar en la obtención de imágenes de neutrones. Por lo general, un sistema de obtención de imágenes está diseñado y configurado para producir una única energía de neutrones, y la mayoría de los sistemas de obtención de imágenes producen neutrones térmicos o fríos.
En algunas situaciones, puede ser conveniente seleccionar solo una energía específica de neutrones. Para aislar una energía específica de neutrones, se pueden 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 solo se lleva a cabo para aplicaciones de investigación.
Este debate se centra en la obtención de imágenes con neutrones térmicos, aunque gran parte de esta información también se aplica a las imágenes frías y epitermales. La obtención de imágenes con neutrones rápidos es un área de interés para las aplicaciones de seguridad nacional, pero actualmente no está disponible comercialmente y, por lo general, no se describe 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 rodeados de materiales absorbentes de neutrones) limita los neutrones que ingresan 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 un equilibrio entre la calidad de la imagen y el tiempo de exposición. Un sistema de colimación más corto o una apertura más grande producirán 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 estarán presentes significativamente menos neutrones 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 produce con los sistemas de rayos X, el objeto generalmente debe colocarse lo más cerca posible del dispositivo de registro de imágenes.
Se emplean habitualmente diversos 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 hay disponibles diversos métodos digitales.
Aunque existen numerosos métodos de registro de imágenes diferentes, los neutrones no suelen medirse fácilmente y es necesario convertirlos en alguna otra forma de radiación que se detecte más fácilmente. Generalmente se utiliza algún tipo de pantalla de conversión para realizar esta tarea, aunque algunos métodos de captura de imágenes incorporan materiales de conversión directamente en el registrador de imágenes. A menudo, esto toma la forma de una fina capa de gadolinio , un absorbente muy fuerte para los 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 el boro, el indio , el oro o el disprosio o materiales como las pantallas de centelleo de LiF , donde la pantalla de conversión absorbe los neutrones y emite luz visible.
La película es generalmente la forma de obtención de imágenes de neutrones con mayor resolución, aunque los métodos digitales con configuraciones ideales están logrando recientemente resultados comparables. El método más utilizado utiliza una pantalla de conversión de gadolinio para convertir neutrones en electrones de alta energía, que exponen una película de rayos X de emulsión única.
El método directo se lleva a cabo con la película presente en la línea de luz, de modo que los neutrones son absorbidos por la pantalla de conversión, que emite inmediatamente 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 cierto retraso antes de la liberación de la radiación. Después de registrar la imagen en la pantalla de conversión, esta 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 ventajas significativas cuando se trabaja con objetos radiactivos o sistemas de obtención 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 álabes 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 rastros nucleares hecho de plástico como celulosa o CR-39 . Los iones producen rastros de daño químico llamados rastros de iones . Luego se utiliza un baño de ácido para grabar el plástico, ensanchando los rastros hasta formar agujeros que son visibles bajo un microscopio. [6] [7] También es posible utilizar detectores de rastros nucleares para detectar neutrones sin una pantalla de conversión, ya que los neutrones pueden dispersar 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 captura de imágenes basado en una cámara digital o un conjunto de detectores similar. Los neutrones pasan a través del objeto que se va a capturar y, a continuación, una pantalla de centelleo convierte los neutrones en luz visible. Esta luz pasa a través de una óptica (cuyo objetivo es minimizar la exposición de la cámara a la radiación ionizante) y, a continuación, la imagen es capturada por la cámara CCD (también existen otros tipos de cámaras, como las CMOS y las CID, que producen resultados similares).
Las cámaras de neutrones permiten obtener imágenes en tiempo real (generalmente con baja resolución), lo que ha demostrado ser útil para estudiar el flujo de fluidos bifásicos en tuberías opacas, la formación de burbujas de hidrógeno en celdas de combustible y el movimiento de lubricantes en motores. Este sistema de obtención de imágenes, en combinación 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 en película, aunque el plano de imagen normalmente debe ser pequeño dada la cantidad de píxeles en los chips de cámara CCD disponibles.
Si bien estos sistemas ofrecen algunas ventajas significativas (la capacidad de obtener imágenes en tiempo real, simplicidad y costo relativamente bajo para aplicaciones de investigación, resolución potencialmente razonablemente alta, visualización rápida de las imágenes), existen desventajas significativas que incluyen píxeles muertos en la cámara (que resultan de la exposición a la radiación), sensibilidad gamma de las pantallas de centelleo (que crean artefactos de imagen que generalmente requieren filtrado medio para eliminarlos), campo de visión limitado y la vida útil limitada de las cámaras en entornos de alta radiación.
Las placas de fósforo fotoestimulables que se utilizan 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 que la placa de imágenes los capture. Durante un breve período de tiempo, Fuji produjo placas de imágenes sensibles a los neutrones que contenían un material convertidor en la placa y ofrecían una resolución mejor que la que es posible con un material de conversión externo.
Las placas de imágenes ofrecen un proceso muy similar al de las imágenes con película, pero la imagen se graba en una placa de imágenes reutilizable que se lee y se borra después de la obtención de la imagen. Estos sistemas solo producen imágenes fijas. Si se utiliza 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 menor que la de las imágenes con película. Las placas de imágenes con material de conversión incorporado producen mejores imágenes que las de conversión externa, pero actualmente no producen imágenes de la misma calidad que las de película.
Los detectores de silicio de panel plano son una técnica digital similar a la obtención de imágenes CCD. La exposición a neutrones hace que los detectores tengan una vida útil más corta, lo que ha hecho que otras técnicas digitales se conviertan en los enfoques preferidos.
Las placas de microcanales son un tipo emergente de detector digital con tamaños de píxeles muy pequeños. El dispositivo tiene canales pequeños (micrométricos) 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 alto 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 una matriz de detectores digitales.
El CSIRO desarrolló un sistema para escanear contenedores de carga mediante radiografía de neutrones rápidos y rayos gamma, que se puso a prueba en el Aeropuerto Internacional de Brisbane entre 2005 y 2006. El sistema utilizaba generadores de neutrones y una fuente de rayos gamma para producir haces colimados, mientras los contenedores de carga pasaban por una cinta transportadora de cadena a través de un túnel y detectores de neutrones de centelleo y detectores de rayos gamma montados en columnas en el lado opuesto del túnel. Los contenedores tardaban aproximadamente dos minutos en pasar por el dispositivo. [9]
A diferencia del escaneo con 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, al medir las relaciones entre la atenuación de los neutrones y la atenuación de los rayos gamma, es posible analizar la composición elemental de las sustancias escaneadas. [9]
En 2009, se desarrolló y probó en Pekín una versión mejorada del escáner, denominada AC6015XN Air Cargo Scanner, desarrollada conjuntamente por Nuctech y CSIRO. El AC6015XN ocupaba menos espacio, tenía un blindaje diferente, haces de rayos X estereoscópicos duales (producidos por un acelerador lineal ) en lugar de haces de rayos gamma y detectores de rayos X tanto en los laterales como en la parte superior del túnel. La dosis de radiación de la radiación de neutrones era 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]
