Tööstuslik radiograafia

Tööstuslik radiograafia on elutute objektide ja nende sisemuse vaatlemine, kasutades ioniseerivat kiirgust. Peamiselt kasutab tööstuslik radiograafia röntgeni- ja gammakiirgust, kuid kujutiste saamiseks kasutatakse ka neutroneid, müüoneid ja prootoneid. Tööpõhimõte on lihtne: röntgeni- või gammakiirgus suunatakse huvipakkuva objekti poole ja teisele poole objekti pannakse detektor, mis mõõdab, kui palju kiirgust läbib seda objekti. Mida paksem on materjal, seda vähem kiirgust seda läbib, ning kuna pragudes ja kahjustustes on materjal õhem, läbib neid kohti rohkem kiirgust. American Society of Non-Destructive Testing (ASNT) järgi kasutatakse tööstuslikus radiograafias kujutise saamiseks kolme sorti tehnikat: film-, kompuuter- ja digitaalset radiograafiat. Radiograafia sai alguse 1895. aastal, kui Wilhelm Conrad Röntgen avastas röntgenikiired. Gammaradiograafiat hakati rohkem kasutama alles Teise maailmasõja ajal. Nii neutroneid kui ka prootoneid hakati radiograafiliste piltide saamiseks enam kasutama alles 20. sajandi viimasel kümnendil. Kui meditsiinis kasutatakse röntgenikiirgust, et leida murde luudes, siis tööstuses kasutatakse röntgeni- ja gammakiirgust objektide sisemuse pildistamiseks. Selle kaudu saab teha kindlaks, kas objektis on kahjustusi või pragusid. Radiograafia ise ei tekita katsetatavatele objektidele kahjustusi. Näiteks kasutatakse radiograafiat järgmiste objektide kontrollimiseks: gaasi- ja naftajuhtmed, keevituskohad, boilerid, sõidukiosad, lennukiosad. Lisaks kasutatakse radiograafiat pakendatud toidu uurimiseks, metallurgias metallide identifitseerimiseks ja lennujaamas pagasi kontrollimiseks. Müüonradiograafiat on kasutatud juba üle poole sajandi näiteks püramiidide ja geoloogiliste struktuuride pildistamiseks. Prootonradiograafia peamine kasutusala on tuumarelvas toimuva kiire kokkusurumise uurimine. Enne 1912. aastat kasutati röntgenradiograafiat väljaspool arsti- ja hambaraviteadust vähe, sest röntgenitorud ei pidanud vastu kõrgele pingele. Tööstusele huvipakkuvaid materjale saab uurida ainult kõrge pingega. 1913. aastal William David Coolidge’i leiutatud kõrgvaakumil toimivad röntgenitorud võimaldasid pinget kuni 100 000 V ja rajasid tee tööstusliku radiograafia praktiliseks kasutuseks. 1931. aastaks oli USA ettevõte General Electric Company loonud sellised kõrgvaakumil toimivad röntgenitorud, mis võimaldasid pinget suurusjärgus miljon volti ja tõstsid märkimisväärselt radiograafia tähtsust tööstuses. Röntgenfootoneid tekitatakse, suunates väga kiired elektronid suure aatomnumbriga materjali, näiteks volframi pihta. Kui elektronid aeglustuvad või seiskuvad tuumaosakestega interakteerudes, tekibki röntgenikiirgus. Mida kõrgem pinge on röntgenitorudes, seda suurema kiiruse saab elektronidele anda ja seda suurem on ka röntgenfootonite energia, mistõttu suudavad nad läbida aines pikema distantsi. Röntgenradiograafia aparaadid (röntgenitorud) töötavad elektrivoolu toimel. Tänu sellele on võimalik neid mõõteriistu välja lülitada. 1896. aastal avastas Henri Becquerel fluorestsentsi uurides uraani radioaktiivsust. Tema uuringud pakkusid suurt huvi Marie ja Pierre Curiele, kes hakkasid uurima ka teisi materjale ja avastasid mitmeid radioaktiivseid materjale. Kaks aastat pärast Becquereli algset avastust, leidis füüsikutest abielupaar raadiumi, mida oma suurema aktiivsuse tõttu kasutati esialgu peamise gammakiirguse allikana. Sellegipoolest sai gammaradiograafia hoo sisse alles Teise maailmasõja ajal seoses sõjalaevade ehitamisega. 1946. aastal hakati kasutama tehislikke gammakiirte allikaid, näiteks iriidiumit ja koobaltit, mis on palju aktiivsemad ja odavamad kui raadium. Gammakiirgus suudab mateeriat paremini läbistada kui röntgenikiirgus. Gammaradiograafia aparaadid töötavad tänu radioaktiivsele materjalile, mis kiirgavad gammakiirgust. Selle tõttu ei saa gammakiirgusepõhist aparaati ka välja lülitada, mis võib kujuneda ohtlikuks. Enamik liigutatavaid gammakiirgusel põhinevaid radiograafiavahendeid kasutab iriidium-192 allikat, aga palju on ka koobalt-60 põhjal toimivad vahendeid. Koobalt-60 vahendid vajavad rohkem varjestust, mistõttu on need raskemad ega ole enamasti käes hoitavad. Tänapäeval on suur valik eri energiataseme ja poolestusajaga eri elementide radioaktiivseid isotoope. Näiteks koobalt-60 puhul on gammafootonitel väga kõrge energia ja sellega saab uurida ka väga kõrge tihedusega materjale. Tuulium-170 abil saab uurida näiteks plastikut ja madala tihedusega või õhukesi materjale. Neutronradiograafia on väga sarnane röntgenradiograafiaga, aga neutronite puhul on võimalik saada pilte materjalidest, millest röntgeniga pole võimalik pilte saada: kergetest, väikse aatomnumbriga elementidest (näiteks vesi, süsinik, vesinik). Samuti läbivad neutronid suure aatomnumbriga elemente, nagu plii ja titaan, tänu millele saab neutronite abil uurida materjale, mis sisaldavad eri elemente. Kuna neutronid interakteeruvad pigem tuumaga kui elektronkihiga, saab nende abil eristada ka ühe elemendi erinevaid isotoope. Erinevalt röntgenikiirgusest läbivad neutronid metalle hästi. Röntgenikiirgus läbib hästi plastikut, neutronid mitte. Tänu sellele annavad röntgenikiirgus ja neutronid erinevat, aga uurimistöö jaoks komplementaarset informatsiooni. Neutronite detekteerimine käib läbi muundumise nähtavaks valguseks. Selleks kasutatakse muundumisekraane, mis sisaldavad liitium-6 või gadoliiniumi koos fluorestsentse materjaliga. Neutronkujutis saadi esmakordselt 1935. aastal, pärast seda, kui inglise füüsik James Chadwick oli neutroni avastanud. Esialgu saadi kujutis, kasutades filmi, millelt ei olnud võimalik välja lugeda aga kvantitatiivset informatsiooni. Seetõttu kasutati neutroneid radiograafiliste piltide saamiseks enne 1990. aastat väga vähe. 1990ndate alguses, kui filmiga fotoaparaatide asemel hakati kasutama CCD-kaameraid, suurenes neutronradiograafia kasutus oluliselt, sest tänu uuele digitaalsele tehnoloogiale oli võimalik saadud kujutise pealt ka kvantitatiivseid andmeid välja lugeda. Prootoneid katsetati esmakordselt radiograafiliste sondidena 1960ndatel, kui hakati kasutama kõrge energiaga prootonite kiirendeid. Varased katsetused ei olnud paljulubavad: elektrilaengu tõttu hajuvad prootonid aines liikumisel ja seetõttu olid saadud pildid udused. 1995. aastani tegeleti selle uurimisega vähe; siis tulid aga Los Alamose Rahvusliku Laboratooriumi füüsikud välja ideega magnetobjektiivi abil koondada hajunud prootonid selgeks kujutiseks. Prootonid on suutelised aines liikuma kuni mõnikümmend sentimeetrit, enne kui nad interakteeruvad ainega märkimisväärselt. Selline teepikkus, mida prooton suudab aines läbida, on optimaalne, et määrata täpselt füüsikalisi näitajaid, nagu näiteks tihedust. Võrdluseks on näiteks röntgenikiirte maksimaalne teepikkus aines umbes üks sentimeeter. Kümne sentimeetri paksust eset läbib seega vaid üks röntgenfooton miljonist, kuid sama paksust objektist saab läbi lausa iga kolmas prooton. Tänu sellele on prootonradiograafia kujutistel parem resolutsioon. Müüonid tekivad kui kosmilise kiirguse kõrge energiaga prootonid interakteeruvad kergete elementidega Maa ülemises atmosfääris. Protsessi alguses tekivad piionid, mis lagunevad paari meetri jooksul müüoniteks ja müüon-neutriinodeks. Müüonid liiguvad enamasti samas suunas nagu neid tekitanud prootonid ja liiguvad peaaegu valguse kiirusel. Kosmilise kiirguse müüoneid on kasutatud kujutiste loomiseks alates 1950ndatest. Esimesena kasutas müüoneid Eric P. George jääkihi paksuse määramiseks Austraalias Guthega-Munyangi tunneli kohal. Järgmisel kümnendil vaatles Luis W. Alvarez müüonite abiga Chephreni püramiidi Gizas, et leida peidetud kambreid. Samuti on müüone kasutatud, et leida vulkaanides asuvaid magmakambreid ennustamaks, millal vulkaan võiks purskama hakata. Nüüdisajal töötatakse välja müüontomograafe, mille abil saaks detekteerida tuumarelvades kasutatavaid elemente. Radiograafia Tomograafia Röntgenikiirgus Ioniseeriv kiirgus Radioaktiivsus Gammakiirgus Industrial Radiography www3.epa.gov. Vaadatud 25.10.2016. Industrial Radiography and X-Ray Testing jgarantmc.com. Vaadatud 29.10.2016. Introduction to Radiographic Testing www.nde-ed.org. Vaadatud 25.10.2016. Neutron Imaging – Past, Present and Future nmi3.eu. Vaadatud 25.10.2016. Protons Reveal the Inside Story Lawrence Livermore National Laboratory. Vaadatud 30.10.2016. Muon Tomography Looking Inside Dangerous Places sciencereviews2000.co.uk. Vaadatud 29.10.2016. Proton Radiography at Los Alamos eurekalert.org. Vaadatud 30.10.2016. The Fundamentals of Industrial Radiography fujifilmusa.com. Vaadatud 27.10.2016. Radiation Source Use and Replacement: Abbreviated Version nap.edu. Vaadatud 27.10.2016. Neutron Radiography mnrc.ucdavis.edu. Vaadatud 27.10.2016. Frank E. Merrill (2015). Flash Proton Radiography Reviews of Accelerator Science and Technology. Vol 8, lk 165–180. Vaadatud 30.10.2016. Fishbine, Brian. "Muon Radiography". Detecting Nuclear Contraband. Los Alamos National Laboratory. Originaali arhiivikoopia seisuga 20.12.2013. Vaadatud 15.09.2013.