Technologie dicht kloof N-ray en X-ray

Mon Aug 08 2022

08 08

Technologie dicht kloof N-ray en X-ray

17/03/2021

Door Redactie

Moderne technologie dicht de kloof in technologie en toegankelijkheid tussen beeldvorming via röntgenstraling en neutronenradiografie.


     

In 1895 ontdekte de Duitse natuurkundige Wilhelm Röntgen de naar hem genoemde röntgenstraling (ook wel X-ray). Hij onderkende vrijwel onmiddellijk de beeldvormende toepassingen van deze tot dan onbekende straling. Deskundigen in de medische gemeenschap en de industrie zagen snel de mogelijkheden voor niet-destructief onderzoek. Binnen twintig jaar was röntgenbeeldvorming op dit gebied een alomtegenwoordig en essentieel instrument.

In 1932 ontdekte de Engels natuurkundige James Chadwick het neutron en zijn radiografische toepassingen: neutronenradiografie of N-ray. Ook N-ray is een krachtig instrument voor niet-destructief testen (NDT), maar het is minder toegankelijk dan röntgen en nog steeds niet zo alomtegenwoordig. Moderne technologie is echter bezig de kloof tussen beide technieken te dichten.

Radiografische inspectie

Beide technieken maken gebruik van doordringende straling om beelden te produceren die de interne structuur van een object weergeven. Ongeacht het soort straling dat wordt gebruikt, zijn de grote lijnen van de beeldvormingsmethode hetzelfde – en die opbouwt geldt ook voor veel optische technieken. Een bron zendt de straling uit, die door een collimator gaat. De collimator filtert en beperkt de doorgang van de straling, zodat alleen parallelle stralen passeren.

Door de bundel te collimeren wordt de beeldkwaliteit verbeterd, wat resulteert in een scherper en gedetailleerder beeld. Zodra de bundel is gecollimeerd, botst hij tegen het object dat moet worden afgebeeld. De straling die aan de andere kant doorkomt, reageert op een chemische plaat om een beeld op film te produceren of activeert sensoren om een digitaal beeld te produceren.

Neutronenradiografie

Neutronenradiografie als methode verschilt van röntgenstralen en andere vormen van radiografie in de details van de manier waarop straling door de verschillende materialen dringt. Het belangrijkste verschil is natuurlijk dat neutronenstraling. In tegenstelling tot alfadeeltjes en bètadeeltjes (die positieve en negatieve ladingen hebben) en elektromagnetische straling (die bestaat uit hoogenergetische fotonen) is neutronenstraling inherent elektrisch neutraal.

Neutronen hebben dus een andere wisselwerking met materialen dan andere vormen van straling. De doorsnede van röntgenstraling varieert lineair met de dichtheid - hoe dichter iets is, hoe moeilijker het is om er 'doorheen te kijken'. Daarentegen zijn veel lichte materialen (vooral kunststoffen) zeer ondoorzichtig voor neutronen, en veel dichte materialen (zoals lood) juist doorzichtiger.

Neutronenradiografie is hierdoor een nuttige methode voor het inspecteren van energetische apparatuur, zoals de drijfgassen die worden gebruikt in schietstoelen van jachtvliegtuigen en scheidingssystemen voor de lading in vliegtuigen en ruimtevaartuigen. Maar neutronenstralen zijn ook nuttig voor het opsporen van water in materialen of onderdelen.

Gadolinium-markering

In tegenstelling tot andere vormen van elektromagnetische straling kan neutronenradiografie contrastmarkering uitvoeren. Sommige elementen (bijvoorbeeld gadolinium, Gd) reageren op neutronenstraling en zijn ondoorzichtig voor neutronenbeeldvorming. Hierdoor kunnen dergelijke neutronenabsorbers fungeren als contrastmiddel, waardoor gebreken beter waarneembaar zijn (vergelijkbaar met contrastvloeistof die oplicht onder UV-licht). Door een gadoliniumrijke vloeistofoplossing te maken en deze op een voorwerp aan te brengen, kunnen neutronen weergeven waar deze kleurstof neerslaat.

Gadolinium-markering is van belangrijk voor de kwaliteitsborging van turbineschoepen van straalmotoren, een van de belangrijkste NDO-niches van neutronenbeeldvorming. Door de turbinebladen in een gadolinium-oplossing te wassen, sijpelt het gadolinium in poreuze structuren maar spoelt het overal elders weer uit. Scheurtjes kunnen op een neutronenopname gemakkelijk worden geïdentificeerd als een aanwijzing voor een defect.

Toen neutronenbeeldvorming voor het eerst werd voorgesteld als industrieel hulpmiddel, waren de neutronenbronnen klein en produceerden een lage neutronenoutput. Pas in de jaren 1950 werden de eerste splijtingsreactoren populair. Deze reactoren zijn al meer dan een half decennium de beste bron voor N-stralen, aangezien hun neutronenoutput het mogelijk maakt neutronenradiografie van hoge kwaliteit te produceren in vergelijking met kleinere bronnen.

Nieuwe technologieën

De afhankelijkheid van kernreactoren heeft verhinderd dat N-stralen op dezelfde schaal is gegroeid als andere vormen van industriële radiografie. Dat reactoren onder maatschappelijk druk steeds meer buiten bedrijf worden gesteld, maakt verdere groei van neutronenradiografie nog lastiger.

Dit wordt echter gecompenseerd door vorderingen in de nucleaire technologie. Moderne, op versnellers gebaseerde neutronenbronnen kunnen een sleutelrol spelen in de toekomst van N-Ray. Deze bronnen zijn inmiddels zo ver ontwikkeld dat zij records kunnen vestigen voor de grootste aanhoudende neutronenoutput door kernfusie.

Ze maken neutronenbeelden van de hoogste beeldkwaliteit mogelijk. Dergelijke nieuwe neutronenbeeldvormingssystemen en -faciliteiten bevorderen de toegankelijkheid van neutronenradiogafie voor niet-destructief testen en onderzoek naar nieuwe manieren om industriële toepassingen veiliger en betrouwbaarder te maken.

Bron: Quality Magazine