التصوير النيوتروني
التصوير النيوتروني هو عملية إنتاج صورة باستخدام النيوترونات . وتعتمد الصورة الناتجة على خصائص امتصاص النيوترونات للجسم المراد تصويره. تتشابه الصور الناتجة إلى حد كبير مع صور الأشعة السينية الصناعية ، ولكن نظرًا لأن الصورة تعتمد على خصائص امتصاص النيوترونات بدلًا من خصائص امتصاص الأشعة السينية، فإن بعض الأشياء التي يسهل رؤيتها بالتصوير النيوتروني قد يصعب أو يستحيل رؤيتها بتقنيات التصوير بالأشعة السينية (والعكس صحيح).
تتلاشى الأشعة السينية تبعًا لكثافة المادة، فكلما زادت الكثافة، زادت قدرة المادة على امتصاص الأشعة السينية. أما بالنسبة للنيوترونات، فإن احتمالية امتصاص المادة لها لا ترتبط بكثافتها. فبعض المواد الخفيفة، كالبورون، تمتص النيوترونات، بينما يعمل الهيدروجين عمومًا على تشتيتها، وتسمح العديد من المعادن الشائعة الاستخدام بمرور معظم النيوترونات. وهذا ما يجعل التصوير النيوتروني أكثر ملاءمة في كثير من الحالات من التصوير بالأشعة السينية؛ على سبيل المثال، عند فحص موضع وسلامة الحلقات المطاطية داخل المكونات المعدنية، مثل وصلات أجزاء معزز الصاروخ الصلب .
تاريخ
اكتُشف النيوترون على يد جيمس تشادويك عام ١٩٣٢. وأجرى هارتموت كالمان وإي. كون أول تجربة تصوير إشعاعي بالنيوترونات في أواخر ثلاثينيات القرن العشرين. اكتشفا أن بعض المواد، عند قذفها بالنيوترونات، تُصدر إشعاعًا يُمكن تصويره على الفيلم . وظل هذا الاكتشاف مثيرًا للفضول حتى عام ١٩٤٦، حين التقط بيترز صورًا إشعاعية بجودة منخفضة. أما أولى الصور الإشعاعية بالنيوترونات ذات الجودة المعقولة، فقد التقطها ج. ثيوليس (المملكة المتحدة) عام ١٩٥٥.
في حوالي عام 1960، بدأ هارولد بيرغر (الولايات المتحدة) وجون ب. بارتون (المملكة المتحدة) بتقييم النيوترونات لدراسة وقود المفاعلات المشع. لاحقًا، تم تطوير عدد من مرافق البحث. دخلت أولى المرافق التجارية حيز التشغيل في أواخر الستينيات، معظمها في الولايات المتحدة وفرنسا، ثم في دول أخرى لاحقًا، بما في ذلك كندا واليابان وجنوب إفريقيا وألمانيا وسويسرا.
عملية
لإنتاج صورة نيوترونية، يلزم وجود مصدر للنيوترونات، ومجمع لتشكيل النيوترونات المنبعثة في حزمة أحادية الاتجاه إلى حد ما، وجسم المراد تصويره، وطريقة ما لتسجيل الصورة.
مصادر النيوترونات
عادةً ما يكون مصدر النيوترونات مفاعلاً بحثياً ، [ 1 ] [ 2 ] حيث يتوفر عدد كبير من النيوترونات لكل وحدة مساحة (تدفق). وقد أُنجزت بعض الأعمال باستخدام مصادر النيوترونات النظيرية (وخاصةً الانشطار التلقائي للكاليفورنيوم -252 ، [ 3 ] بالإضافة إلى مصادر نظائر الأمريسيوم - بيريليوم ، وغيرها). توفر هذه المصادر تكاليف رأسمالية أقل وسهولة أكبر في النقل، ولكن على حساب انخفاض شدة النيوترونات بشكل ملحوظ وانخفاض جودة الصورة بشكل كبير. علاوة على ذلك، ازداد توفر مصادر النيوترونات المُسرّعة، بما في ذلك المُسرّعات الكبيرة ذات أهداف التفتت [ 4 ] ، والتي يمكن أن تكون مصادر مناسبة للتصوير النيوتروني. كما توجد مولدات نيوترونية محمولة تعتمد على المُسرّعات، وتستخدم تفاعلات الاندماج النووي المُنتجة للنيوترونات بين الديوتيريوم -ديوتيريوم أو الديوتيريوم- تريتيوم . [ 5 ]
الاعتدال
بعد إنتاج النيوترونات، يجب إبطاؤها (تقليل طاقتها الحركية ) إلى السرعة المطلوبة للتصوير. يمكن تحقيق ذلك باستخدام مادة مثل الماء أو البولي إيثيلين أو الجرافيت عند درجة حرارة الغرفة لإنتاج نيوترونات حرارية . في هذه المادة، تصطدم النيوترونات بنوى الذرات، مما يؤدي إلى إبطائها. في النهاية، تتوزع سرعة هذه النيوترونات وفقًا لدرجة حرارة المادة (مقدار طاقتها الحركية). إذا رغبنا في الحصول على نيوترونات ذات طاقة أعلى، يمكن تسخين مادة الجرافيت لإنتاج نيوترونات ذات طاقة أعلى (تُسمى نيوترونات فوق حرارية). أما بالنسبة للنيوترونات ذات الطاقة المنخفضة، فيمكن استخدام مادة باردة مثل الديوتيريوم السائل لإنتاج نيوترونات منخفضة الطاقة (نيوترونات باردة). في حال عدم وجود مادة مهدئة أو وجود كمية قليلة منها، يمكن إنتاج نيوترونات عالية الطاقة (تُسمى نيوترونات سريعة ). كلما ارتفعت درجة حرارة المادة المهدئة، زادت الطاقة الحركية للنيوترونات، وبالتالي زادت سرعتها. عمومًا، تكون النيوترونات الأسرع أكثر قدرة على الاختراق، ولكن توجد بعض الاستثناءات المثيرة للاهتمام التي يمكن استغلالها أحيانًا في التصوير النيوتروني. عادةً ما يُصمم نظام التصوير ويُجهز لإنتاج طاقة واحدة فقط من النيوترونات، حيث تُنتج معظم أنظمة التصوير نيوترونات حرارية أو باردة.
في بعض الحالات، قد يكون من المرغوب فيه اختيار طاقة محددة للنيوترونات. ولتحقيق ذلك، يُمكن استخدام تشتيت النيوترونات من بلورة أو تقطيع حزمة النيوترونات لفصلها بناءً على سرعتها، إلا أن هذه الطرق تُنتج عادةً كثافة نيوترونية منخفضة جدًا وتؤدي إلى فترات تعريض طويلة جدًا. ولذلك، يُقتصر استخدام هذه الطرق عمومًا على التطبيقات البحثية.
يركز هذا النقاش على التصوير بالنيوترونات الحرارية، مع أن معظم هذه المعلومات تنطبق أيضاً على التصوير بالنيوترونات الباردة وفوق الحرارية. يُعدّ التصوير بالنيوترونات السريعة مجالاً ذا أهمية لتطبيقات الأمن الداخلي، ولكنه غير متوفر تجارياً حالياً، ولذلك لا يتم التطرق إليه هنا.
المحاذاة
في المهدئ، تتحرك النيوترونات في اتجاهات متعددة. وللحصول على صورة جيدة، يجب أن تتحرك النيوترونات في اتجاه منتظم نسبيًا (مع انحراف طفيف في الغالب). ولتحقيق ذلك، تحد فتحة (فتحة تسمح بمرور النيوترونات محاطة بمواد ماصة لها) من كمية النيوترونات الداخلة إلى المجمع. ثم يقوم جزء من المجمع، مزود بمواد ماصة للنيوترونات (مثل البورون)، بامتصاص النيوترونات التي لا تتحرك على طول المجمع في الاتجاه المطلوب. يوجد توازن بين جودة الصورة ووقت التعريض. فنظام تجميع أقصر أو فتحة أكبر ينتج عنه حزمة نيوترونات أكثر كثافة، لكن النيوترونات ستتحرك بزوايا متنوعة، بينما المجمع الأطول أو الفتحة الأصغر ينتج عنه تجانس أكبر في اتجاه حركة النيوترونات، لكن عدد النيوترونات سيكون أقل بكثير، مما يؤدي إلى زيادة وقت التعريض.
هدف
يتم وضع الجسم في حزمة النيوترونات. ونظرًا لزيادة عدم وضوح الصورة الهندسية مقارنةً بأنظمة الأشعة السينية، فإنه يجب عمومًا وضع الجسم بالقرب من جهاز تسجيل الصور قدر الإمكان.
كشف
تُستخدم طرق متنوعة للكشف عن صور النيوترونات وتسجيلها. وحتى وقت قريب، كان تصوير النيوترونات يُسجل عادةً على أفلام الأشعة السينية، ولكن تتوفر الآن طرق رقمية متنوعة.
تحويل النيوترونات
على الرغم من وجود العديد من طرق تسجيل الصور المختلفة، إلا أن قياس النيوترونات ليس بالأمر السهل عمومًا، ويتطلب تحويلها إلى شكل آخر من الإشعاع يسهل رصده. تُستخدم عادةً شاشة تحويل لهذا الغرض، مع أن بعض طرق التقاط الصور تُدمج مواد التحويل مباشرةً في جهاز التسجيل. غالبًا ما تكون هذه المواد على شكل طبقة رقيقة من الغادولينيوم ، وهو مادة ماصة قوية جدًا للنيوترونات الحرارية. تكفي طبقة من الغادولينيوم بسمك 25 ميكرومتر لامتصاص 90% من النيوترونات الحرارية الساقطة عليها. في بعض الحالات، يمكن استخدام عناصر أخرى مثل البورون أو الإنديوم أو الذهب أو الديسبروزيوم ، أو مواد مثل شاشات الوميض المصنوعة من فلوريد الليثيوم، حيث تمتص شاشة التحويل النيوترونات وتُصدر ضوءًا مرئيًا.
كاشفات الحالة الصلبة
فيلم
يُعد الفيلم عمومًا الشكل الأعلى دقةً لتصوير النيوترونات، على الرغم من أن الطرق الرقمية ذات الإعدادات المثالية تُحقق نتائج مماثلة مؤخرًا. وتعتمد الطريقة الأكثر شيوعًا على استخدام شاشة تحويل من الغادولينيوم لتحويل النيوترونات إلى إلكترونات عالية الطاقة، والتي تُعرّض فيلمًا واحدًا من مستحلب الأشعة السينية.
تُجرى الطريقة المباشرة باستخدام فيلم موجود في خط الحزمة ، حيث تمتص شاشة التحويل النيوترونات، ثم تُصدر فورًا نوعًا من الإشعاع الذي يُعرّض الفيلم. أما الطريقة غير المباشرة، فلا تستخدم فيلمًا في خط الحزمة مباشرةً. تمتص شاشة التحويل النيوترونات، ولكن يوجد تأخير زمني قبل انبعاث الإشعاع. بعد تسجيل الصورة على شاشة التحويل، تُوضع الشاشة على اتصال وثيق مع الفيلم لفترة زمنية (عادةً ساعات) لتكوين الصورة عليه. تتميز الطريقة غير المباشرة بمزايا كبيرة عند التعامل مع الأجسام المشعة، أو أنظمة التصوير ذات التلوث الإشعاعي العالي بأشعة غاما، وإلا تُفضّل الطريقة المباشرة عمومًا.
التصوير الإشعاعي النيوتروني هو خدمة متاحة تجارياً، وتستخدم على نطاق واسع في صناعة الطيران لاختبار شفرات التوربينات لمحركات الطائرات، ومكونات برامج الفضاء، والمتفجرات عالية الموثوقية، وبدرجة أقل في الصناعات الأخرى لتحديد المشاكل أثناء دورات تطوير المنتجات.
مسار الحفر
يمكن تحويل النيوترونات إلى أيونات تمر عبر كاشف آثار نووية مصنوع من البلاستيك، مثل السليلوز أو CR-39 . تُنتج هذه الأيونات آثارًا كيميائية تُسمى آثار الأيونات . ثم يُستخدم حمام حمضي لحفر البلاستيك، مما يُوسع هذه الآثار إلى ثقوب مرئية تحت المجهر. [ 6 ] [ 7 ] من الممكن أيضًا استخدام كواشف الآثار النووية للكشف عن النيوترونات دون شاشة تحويل، حيث يمكن للنيوترونات أن تُشتت النوى في البلاستيك نفسه. [ 8 ]
أجهزة الكشف الرقمية
توجد عدة طرق لالتقاط صور رقمية للنيوترونات الحرارية، ولكل منها مزاياها وعيوبها. تُستخدم هذه الطرق التصويرية على نطاق واسع في الأوساط الأكاديمية، ويعود ذلك جزئيًا إلى أنها تُغني عن الحاجة إلى أجهزة تحميض الأفلام وغرف التحميض، فضلًا عن مزاياها المتعددة. إضافةً إلى ذلك، يمكن رقمنة صور الأفلام باستخدام الماسحات الضوئية الناقلة.
كاميرا نيوترونية
كاميرا النيوترونات هي نظام تصوير يعتمد على كاميرا رقمية أو مصفوفة كاشفات مماثلة. تمر النيوترونات عبر الجسم المراد تصويره، ثم تقوم شاشة وميضية بتحويلها إلى ضوء مرئي. يمر هذا الضوء بعد ذلك عبر عدسات (مصممة لتقليل تعرض الكاميرا للإشعاع المؤين)، ثم تلتقط كاميرا CCD الصورة (توجد أنواع أخرى من الكاميرات، بما في ذلك CMOS وCID، والتي تنتج نتائج مماثلة).
تتيح كاميرات النيوترونات التقاط صور في الوقت الحقيقي (عادةً بدقة منخفضة)، وقد أثبتت فائدتها في دراسة تدفق السوائل ثنائية الطور في الأنابيب المعتمة، وتكوّن فقاعات الهيدروجين في خلايا الوقود، وحركة مواد التشحيم في المحركات. ويمكن لنظام التصوير هذا، بالاقتران مع طاولة دوارة، التقاط عدد كبير من الصور بزوايا مختلفة، والتي يمكن إعادة بنائها لتكوين صورة ثلاثية الأبعاد (التصوير المقطعي النيوتروني).
عند اقترانها بشاشة وميض رقيقة وبصريات جيدة، يمكن لهذه الأنظمة إنتاج صور عالية الدقة بأوقات تعريض مماثلة للتصوير الفيلمي، على الرغم من أن مستوى التصوير عادة ما يكون صغيرًا نظرًا لعدد البكسلات الموجودة على رقائق كاميرا CCD المتاحة.
على الرغم من أن هذه الأنظمة توفر بعض المزايا الهامة (القدرة على إجراء التصوير في الوقت الحقيقي، والبساطة والتكلفة المنخفضة نسبيًا لتطبيقات البحث، ودقة عالية معقولة، وعرض الصور الفوري)، إلا أن هناك عيوبًا كبيرة بما في ذلك وحدات البكسل الميتة على الكاميرا (والتي تنتج عن التعرض للإشعاع)، وحساسية شاشات الوميض لأشعة جاما (مما يؤدي إلى ظهور تشوهات في التصوير تتطلب عادةً ترشيحًا متوسطًا لإزالتها)، ومجال رؤية محدود، والعمر الافتراضي المحدود للكاميرات في بيئات الإشعاع العالي.
لوحات التصوير
يمكن استخدام ألواح الفوسفور المحفزة ضوئيًا، المستخدمة للكشف عن الأشعة السينية، بالتزامن مع ماسح ليزري لإنتاج صور نيوترونية، تمامًا كما تُنتج صور الأشعة السينية باستخدام النظام. ولا تزال النيوترونات بحاجة إلى تحويلها إلى شكل آخر من الإشعاع ليتم التقاطها بواسطة لوحة التصوير. لفترة وجيزة، أنتجت شركة فوجي ألواح تصوير حساسة للنيوترونات تحتوي على مادة محولة داخلها، مما يوفر دقة أعلى من تلك التي يمكن الحصول عليها باستخدام مادة تحويل خارجية.
تُقدّم ألواح التصوير عمليةً تُشبه إلى حدٍ كبير التصوير بالأفلام، ولكن تُسجّل الصورة على لوح تصوير قابل لإعادة الاستخدام، يُقرأ ويُمسح بعد التصوير. تُنتج هذه الأنظمة صورًا ثابتة فقط. باستخدام شاشة تحويل ولوح تصوير بالأشعة السينية، يلزم وقت تعريض مماثل لإنتاج صورة بدقة أقل من التصوير بالأفلام. تُنتج ألواح التصوير المزودة بمادة تحويل مُدمجة صورًا أفضل من تلك التي تُنتجها مواد التحويل الخارجية، ولكنها لا تُنتج حاليًا صورًا بنفس جودة الأفلام.
كاشفات السيليكون المسطحة
تُعدّ كاشفات السيليكون المسطحة تقنية رقمية مشابهة للتصوير بتقنية CCD. ويؤدي التعرض للنيوترونات إلى قصر عمر هذه الكاشفات، مما جعل التقنيات الرقمية الأخرى هي الأساليب المفضلة.
صفائح القنوات الدقيقة
تُعدّ الألواح الميكروية نوعًا حديثًا من أجهزة الكشف الرقمية ذات أحجام بكسل متناهية الصغر. يحتوي الجهاز على قنوات دقيقة (بالميكرومتر) مطلية من جهة المصدر بمادة ماصة للنيوترونات (عادةً الغادولينيوم أو البورون). تمتص هذه المادة النيوترونات وتحولها إلى إشعاع مؤين يُحرر الإلكترونات. عند تطبيق جهد كهربائي عالٍ على الجهاز، تتضخم الإلكترونات المُحررة أثناء تسارعها عبر القنوات الدقيقة، ثم يتم الكشف عنها بواسطة مصفوفة كاشف رقمية.
التطبيقات
فحص الشحنات الجوية
طوّرت منظمة الكومنولث للبحوث العلمية والصناعية (CSIRO) نظامًا لفحص حاويات الشحن باستخدام التصوير الإشعاعي بالنيوترونات السريعة وأشعة غاما ، وجُرّب في مطار بريسبان خلال الفترة 2005-2006 . استخدم النظام مولدات نيوترونات ومصدر أشعة غاما لإنتاج حزم متوازية، حيث تمر حاويات الشحن على سير ناقل عبر نفق، بينما تُثبّت كواشف النيوترونات وكواشف أشعة غاما الوميضية في أعمدة على الجانب المقابل من النفق. يستغرق مرور الحاويات عبر الجهاز حوالي دقيقتين. [ 9 ]
على عكس التصوير بالأشعة السينية، الذي يمكنه الكشف عن المواد المعدنية كالأسلحة النارية ولكنه يواجه صعوبة مع مواد أخرى، فإن التصوير الإشعاعي بالنيوترونات السريعة وأشعة غاما حساس لمجموعة واسعة من المواد. إضافةً إلى ذلك، من خلال قياس نسب امتصاص النيوترونات إلى امتصاص أشعة غاما، يُمكن تحليل التركيب العنصري للمواد الممسوحة ضوئيًا. [ 9 ]
تم تطوير نسخة مُحسّنة من الماسح الضوئي، تحمل اسم AC6015XN، بالتعاون بين شركتي Nuctech وCSIRO، وخضعت للتجربة في بكين عام 2009. تميز جهاز AC6015XN بحجمه الأصغر، ونظام الحماية المختلف، وحزمتي أشعة سينية مجسمتين (مُنتجتين بواسطة مُسرّع خطي ) بدلاً من حزم أشعة غاما، بالإضافة إلى كاشفات أشعة سينية موزعة على جانبي وأعلى النفق. بلغت جرعة الإشعاع النيوتروني حوالي 8 ميكروسيفرت (800 ميكروريم) ، وهي أقل بكثير من الحدود المسموح بها لتشعيع الأغذية في دول مثل المملكة المتحدة والولايات المتحدة الأمريكية. [ 9 ]
مراجع
- ↑ "ISNR | مرافق التصوير النيوتروني حول العالم" . ISNR | الجمعية الدولية للتصوير الإشعاعي النيوتروني والوكالة الدولية للطاقة الذرية . مؤرشف من الأصل بتاريخ 21 يناير 2022. تم الاطلاع عليه بتاريخ 8 فبراير 2020 .
- ↑ كالزادا، إلبو؛ شيلينجر، بوركهارد؛ غروناور، فلوريان (2005). "بناء وتجميع مرفق التصوير الإشعاعي والتصوير المقطعي النيوتروني ANTARES في FRM II". الأدوات والأساليب النووية في بحوث الفيزياء، القسم أ: المسرعات، المطيافات، الكواشف والمعدات المرتبطة بها . 542 ( 1-3 ): 38-44 . Bibcode : 2005NIMPA.542...38C . doi : 10.1016/j.nima.2005.01.009 .
- ↑ جويس، مالكولم جيه؛ أغار، ستيوارت؛ أسبينال، مايكل دي؛ بومونت، جوناثان إس؛ كولي، إدموند؛ كولينغ، ميريام؛ دايكس، جوزيف؛ كارداسوبولوس، فويفوس؛ ميتون، كاتي (2016). "التصوير المقطعي بالنيوترونات السريعة مع تمييز شكل النبضة في الوقت الحقيقي في كاشفات الوميض العضوية" . مجلة الأدوات والأساليب النووية في بحوث الفيزياء، القسم أ: المسرعات، المطيافات، الكاشفات والمعدات المرتبطة بها . 834 : 36-45 . Bibcode : 2016NIMPA.834...36J . doi : 10.1016/j.nima.2016.07.044 .
- ↑ ليمان، إيبرهارد؛ بلاينرت، هيلينا؛ ويزل، لوزيوس (1996). "تصميم منشأة تصوير إشعاعي نيوتروني في مصدر التفتت SINQ". مجلة الأدوات والأساليب النووية في بحوث الفيزياء، القسم أ: المسرعات، المطيافات، الكواشف والمعدات المرتبطة بها . 377 (1): 11-15 . رمز Bibcode : 1996NIMPA.377...11L . doi : 10.1016/0168-9002(96)00106-4 .
- ↑ أندرسون، ب.؛ فالدور-بلوخر، ج.؛ أندرسون سوندين، إ.؛ سيستراند، هـ.؛ جاكوبسون-سفارد، س. (2014). "تصميم واختبارات التصوير الإشعاعي أحادي البعد الأولية لنظام التصوير الإشعاعي والتصوير المقطعي المتنقل بالنيوترونات السريعة FANTOM". مجلة الأدوات والأساليب النووية في بحوث الفيزياء، القسم أ: المسرعات، والمطيافات، والكواشف، والمعدات المرتبطة بها . 756 : 82-93 . Bibcode : 2014NIMPA.756...82A . doi : 10.1016/j.nima.2014.04.052 .
- ↑ دومكه، إي.؛ غريم، ل. (1983). "التصوير بالنيوترونات السريعة باستخدام رقائق نترات السليلوز". التصوير الإشعاعي النيوتروني . دوردريخت: سبرينغر. ص 565. doi : 10.1007/978-94-009-7043-4_68 . ISBN 978-94-009-7045-8.
- ↑ ستانوجيف بيريرا، ماجستير؛ ماركيز، جي جي؛ بوغليسي، ر؛ سانتوس، جي بي (2014). "تحسين التصوير الإشعاعي النيوتروني بتقنية الحفر باستخدام CR-39". مجلة الأدوات والأساليب النووية في البحوث الفيزيائية، الجزء أ . 764 : 310. رمز Bibcode : 2014NIMPA.764..310P . doi : 10.1016/j.nima.2014.07.061 .
- ↑ فرينجي، جيه إيه؛ لي، سي كيه؛ سيغوين، إف إتش؛ وآخرون (2002). "قياسات مطلقة لإنتاج النيوترونات من انضغاطات الديوتيريوم-2 والديوتيريوم-2 في منشأة ليزر أوميغا باستخدام كاشفات مسارات CR-39". مجلة الأدوات العلمية . 73 (7): 2597. رمز Bibcode : 2002RScI...73.2597F . doi : 10.1063/1.1487889 .
- 1 2 3 سويربي، ب.د.؛ كاتمور، ن.ج.؛ ليو، ي.؛ بينغ، هـ.؛ تيكنر، ج.ر.؛ شي، ي.؛ زونغ، س. (8 مايو 2009). "التطورات الحديثة في التصوير الإشعاعي بالنيوترونات السريعة لاستجواب حاويات الشحن الجوي" . مؤتمر الوكالة الدولية للطاقة الذرية . فيينا.
- التطبيقات العملية للتصوير الإشعاعي النيوتروني والقياس؛ بيرغر، هارولد، الجمعية الأمريكية لاختبار المواد
- التصوير
- نيوترون