Imágenes de neutrones

La imagen por neutrones es el proceso de crear una imagen con neutrones . La imagen resultante se basa en las propiedades de atenuación de neutrones del objeto observado. Estas imágenes tienen mucho en común con las imágenes de rayos X industriales , pero dado que se basan en las propiedades de atenuación de neutrones en lugar de las de rayos X, algunos elementos fácilmente visibles con imágenes por neutrones pueden ser muy difíciles o imposibles de observar con técnicas de rayos X (y viceversa).

Los rayos X se atenúan según la densidad del material. Los materiales más densos detienen más rayos X. En el caso de los neutrones, la probabilidad de atenuación de un material no está relacionada con su densidad. Algunos materiales ligeros, como el boro , absorben neutrones, mientras que el hidrógeno generalmente los dispersa, y muchos metales de uso común permiten que la mayoría de los neutrones los atraviesen. Esto puede hacer que la obtención de imágenes con neutrones sea más adecuada en muchos casos que la obtención de imágenes con rayos X; por ejemplo, para observar la posición e integridad de las juntas tóricas dentro de componentes metálicos, como las uniones de los segmentos de un propulsor de cohete sólido .

El neutrón fue descubierto por James Chadwick en 1932. La primera demostración de radiografía de neutrones la realizaron Hartmut Kallmann y E. Kuhn a finales de la década de 1930. Descubrieron que, al ser bombardeados con neutrones, algunos materiales emitían radiación capaz de revelar películas radiográficas . Este descubrimiento permaneció como una curiosidad hasta 1946, cuando Peters realizó radiografías de baja calidad. Las primeras radiografías de neutrones de calidad aceptable 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 de reactores irradiados. Posteriormente, se desarrollaron varias instalaciones de investigación. Las primeras instalaciones comerciales entraron en funcionamiento a finales de la década de 1960, principalmente en Estados Unidos y Francia, y posteriormente en otros países como 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 prácticamente unidireccional, un objeto que se vaya a visualizar y algún método para registrar la imagen.

Generalmente, la fuente de neutrones es un reactor de investigación , ^{[ 1 ] [ 2 ]} donde se dispone de una gran cantidad de neutrones por unidad de área (flujo). Se han realizado algunos trabajos con fuentes isotópicas de neutrones (principalmente fisión espontánea de Californio-252 , ^{[ 3 ]} pero también fuentes isotópicas de Am - Be , y otras). Estas ofrecen menores costos de capital y mayor movilidad, pero a costa de intensidades de neutrones mucho menores y una calidad de imagen significativamente inferior. Además, la disponibilidad de fuentes de neutrones de aceleradores ha aumentado, incluyendo grandes aceleradores con blancos de espalación ^{[ 4 ]} y estos pueden ser fuentes adecuadas para imágenes de neutrones. Generadores de neutrones portátiles basados ​​en aceleradores que utilizan las reacciones de fusión deuterio -deuterio o deuterio- tritio que producen neutrones . ^{[ 5 ]}

Una vez producidos, los neutrones deben desacelerarse (disminuir su energía cinética ) hasta alcanzar la velocidad deseada para la obtención de imágenes. Esto puede lograrse mediante el uso de agua, polietileno o grafito a temperatura ambiente para producir neutrones térmicos . En el moderador, los neutrones colisionan con el núcleo de los átomos, desacelerándose así. Finalmente, la velocidad de estos neutrones adquiere una distribución determinada 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 epitérmicos). 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 muy poco, 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 mayor será su velocidad. En general, los neutrones más rápidos tienen mayor poder de penetración, pero existen algunas excepciones interesantes que pueden aprovecharse en la obtención de imágenes con neutrones. Por lo general, un sistema de imágenes se diseña y configura para producir neutrones de una sola energía, y la mayoría de estos sistemas producen neutrones térmicos o fríos.

En algunos casos, puede ser necesario seleccionar únicamente neutrones de una energía específica . Para aislar dicha energía, se puede optar por dispersar los neutrones en un cristal o modular el haz para separarlos según su velocidad. Sin embargo, esto suele generar intensidades de neutrones muy bajas y conlleva exposiciones muy prolongadas. Generalmente, este método solo se utiliza en aplicaciones de investigación.

Esta discusión se centra en la obtención de imágenes con neutrones térmicos, aunque gran parte de esta información también se aplica a la obtención de imágenes con neutrones fríos y epitérmicos. La obtención de imágenes con neutrones rápidos es un área de interés para aplicaciones de seguridad nacional, pero actualmente no está disponible comercialmente y, por lo general, no se describe aquí.

En el moderador, los neutrones viajan en múltiples direcciones. Para obtener una buena imagen, es necesario que los neutrones se desplacen en una dirección relativamente uniforme (generalmente con una ligera divergencia). Para lograr esto, una apertura (una abertura que permite el paso de los neutrones, rodeada de materiales absorbentes de neutrones) limita la cantidad de neutrones que ingresan al colimador. Una sección del colimador con materiales absorbentes de neutrones (por ejemplo, boro) absorbe los neutrones que no se desplazan a lo largo del colimador en la dirección deseada. Existe una relación de compromiso entre la calidad de la imagen y el tiempo de exposición. Un sistema de colimación más corto o una apertura mayor producirán un haz de neutrones más intenso, pero los neutrones se desplazarán en una mayor variedad de ángulos; mientras que un colimador más largo o una apertura menor producirán mayor uniformidad en la dirección de desplazamiento de los neutrones, pero habrá significativamente menos neutrones presentes y, por consiguiente, un tiempo de exposición más prolongado.

El objeto se coloca en el haz de neutrones. Debido a la mayor falta de nitidez geométrica en comparación con los sistemas de rayos X, generalmente es necesario colocar el objeto lo más cerca posible del dispositivo de registro de imágenes.

Para detectar y registrar imágenes de neutrones se emplean diversos métodos. Hasta hace poco, las imágenes de neutrones se registraban generalmente en películas de rayos X, pero ahora se dispone de una variedad de métodos digitales.

Aunque existen numerosos métodos de registro de imágenes, los neutrones no suelen ser fáciles de medir y requieren ser convertidos en otra forma de radiación más fácilmente detectable. Generalmente se emplea algún tipo de pantalla de conversión para esta tarea, si bien algunos métodos de captura de imágenes incorporan materiales de conversión directamente en el registrador de imágenes. A menudo, esto se realiza mediante una fina capa de gadolinio , un absorbente muy potente de neutrones térmicos. Una capa de 25 micrómetros de gadolinio es suficiente para absorber el 90 % de los neutrones térmicos incidentes. En algunos casos, 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 radiografía analógica (película) suele ser la forma de imagen de neutrones de mayor resolución, aunque los métodos digitales con configuraciones óptimas están logrando resultados comparables. El método más utilizado emplea una pantalla de conversión de gadolinio para transformar los neutrones en electrones de alta energía, que exponen una película de rayos X de emulsión simple.

El método directo se realiza con la película presente en la línea de haz , de modo que los neutrones son absorbidos por la pantalla de conversión, que emite rápidamente algún tipo de radiación que expone la película. El método indirecto no utiliza una película directamente en la línea de haz. La pantalla de conversión absorbe los neutrones, pero existe un retardo temporal antes de la liberación de la radiación. Tras registrar la imagen en la pantalla de conversión, esta se coloca en contacto directo con la película durante un periodo de tiempo (generalmente horas) para producir una imagen en la película. El método indirecto presenta ventajas significativas al trabajar con objetos radiactivos o sistemas de imagen con alta contaminación gamma; en otros casos, generalmente se prefiere el método directo.

La radiografía de neutrones es un servicio disponible comercialmente, ampliamente utilizado en la industria aeroespacial para el ensayo de álabes de turbinas de motores de aviones, componentes para programas espaciales, explosivos de alta fiabilidad 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 atraviesan un detector de trazas nucleares hecho de plástico, como celulosa o CR-39 . Los iones producen rastros de daño químico llamados trazas iónicas . Luego se utiliza un baño ácido para grabar el plástico, ensanchando las trazas hasta formar agujeros visibles bajo un microscopio. ^{[ 6 ] [ 7 ]} También es posible usar detectores de trazas nucleares para detectar neutrones sin una pantalla de conversión, ya que los neutrones pueden dispersar los núcleos en el propio plástico. ^{[ 8 ]}

Existen diversos procesos para obtener imágenes digitales de neutrones mediante neutrones térmicos, cada uno con sus ventajas y desventajas. Estos métodos de imagen se utilizan ampliamente en el ámbito académico, en parte porque evitan la necesidad de procesadores de película y cuartos oscuros, además de ofrecer diversas ventajas. Adicionalmente, las imágenes en película pueden digitalizarse mediante escáneres de transmisión.

Una cámara de neutrones es un sistema de imagen basado en una cámara digital o un detector similar. Los neutrones atraviesan el objeto que se desea visualizar, y una pantalla de centelleo los convierte en luz visible. Esta luz pasa luego a través de un sistema óptico (diseñado para minimizar la exposición de la cámara a la radiación ionizante), y la imagen es capturada por la cámara CCD (existen otros tipos de cámaras, como 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 bifásicos 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 capturar un gran número de imágenes desde diferentes ángulos que se pueden reconstruir 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 los de la fotografía analógica, aunque el plano de imagen normalmente debe ser pequeño dado el número de píxeles disponibles en los chips de cámara CCD.

Si bien estos sistemas ofrecen algunas ventajas significativas (la capacidad de obtener imágenes en tiempo real, simplicidad y coste relativamente bajo para aplicaciones de investigación, resolución potencialmente razonablemente alta, visualización inmediata de imágenes), existen desventajas significativas, como píxeles muertos en la cámara (resultado de la exposición a la radiación), sensibilidad gamma de las pantallas de centelleo (que crea artefactos de imagen que normalmente requieren filtrado de mediana para eliminarlos), campo de visión limitado y la vida útil limitada de las cámaras en entornos de alta radiación.

Las placas de fósforo fotoestimulable utilizadas para detectar rayos X pueden emplearse junto con un escáner láser para generar imágenes de neutrones, de forma similar a como se generan las imágenes de rayos X con el sistema. Los neutrones aún deben convertirse en otro tipo de radiación para ser capturados por la placa de imagen. Durante un breve período, Fuji fabricó placas de imagen sensibles a los neutrones que contenían un material convertidor integrado y ofrecían una resolución superior a la que se logra con un material de conversión externo.

Las placas de imagen ofrecen un proceso muy similar al de la imagen en película, pero la imagen se graba en una placa reutilizable que se lee y borra después de la toma. Estos sistemas solo producen imágenes fijas. Al usar una pantalla de conversión y una placa de imagen de rayos X, se requieren tiempos de exposición comparables para producir una imagen con menor resolución que la de la imagen en 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 la película.

Los detectores de silicio de panel plano son una técnica digital similar a la de las imágenes CCD. La exposición a neutrones reduce la vida útil de los detectores, lo que ha llevado a que otras técnicas digitales se conviertan en las preferidas.

Las placas de microcanales son un tipo emergente de detector digital con píxeles de tamaño muy pequeño. El dispositivo cuenta con pequeños canales (de micrómetros) en su superficie, cuya superficie de origen está recubierta con un material absorbente de neutrones (generalmente gadolinio o boro). Este material absorbe los neutrones y los convierte en radiación ionizante que libera electrones. Al aplicar un alto voltaje al dispositivo, los electrones liberados se amplifican al acelerarse a través de los pequeños canales y 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, el cual fue probado en el aeropuerto de Brisbane entre 2005 y 2006. Este sistema utilizaba generadores de neutrones y una fuente de rayos gamma para producir haces colimados. Los contenedores de carga se desplazaban sobre una cinta transportadora a través de un túnel, mientras que detectores de neutrones centelleadores y detectores de rayos gamma estaban montados en columnas en el lado opuesto del túnel. Los contenedores tardaban aproximadamente 2 minutos en pasar por el dispositivo. ^{[ 9 ]}

A diferencia de la tomografía por rayos X, que puede detectar objetos metálicos como armas de fuego pero presenta problemas con otras sustancias, la radiografía de neutrones rápidos y rayos gamma es sensible a una amplia gama de materiales. Además, al medir las proporciones de atenuación de neutrones respecto a la atenuación de rayos gamma, es posible analizar la composición elemental de las sustancias analizadas. ^{[ 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 tenía un tamaño menor, un blindaje diferente, haces de rayos X duales estereoscópicos (producidos por un acelerador lineal ) en lugar de haces de rayos gamma, y ​​detectores de rayos X en los laterales y la parte superior del túnel. La dosis de radiación de neutrones era de aproximadamente 8 microsieverts (800 μrem), 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 ]}

• Aplicaciones prácticas de la radiografía y medición de neutrones; Berger, Harold, ASTM