عکس‌برداری نوترونی

عکس‌برداری نوترونی(به انگلیسی: Neutron imaging) فرآیند ساخت تصویر به وسیله نوترون‌ها می‌باشد. تصویر به دست آمده از شیء موردنظر در این روش بر اساس ویژگی‌های جذب نوترون می‌باشد. تصاویر به دست آمده اشتراکات بسیاری با تصویربرداری اشعه ایکس دارد؛ ولی از آنجایی که این تصاویر، بر اساس ویژگی‌های جذب نوترون می‌باشند، در برخی موارد که به سادگی با تصویربرداری نوترونی قابل مشاهده هستند، ممکن است با روش پرتو ایکس غیرقابل مشاهده باشند (و بالعکس).

پرتوهای ایکس براساس چگالی یک ماده جذب می‌شوند. مواد متراکم‌تر، پرتوهای ایکس بیشتری را متوقف می‌کنند. این درحالی است که احتمال جذب نوترون‌ها در یک ماده به چگالی آن ارتباطی ندارد. بعضی از مواد سبک‌تر مثل بور، نوترون‌ها را جذب می‌کنند. درحالی که هیدروژن به‌طور کلی نوترون را پراکنده می‌کند و بسیاری از فلزهای رایج مورد استفاده، اکثر نوترون‌ها را از خود عبور می‌دهند. این عامل می‌تواند تصویربرداری نوترونی را در بسیاری از موارد بهتر از تصویربرداری با اشعه ایکس کند. مثل یافتن موقعیت اورینگ و یکپارچگی اجزای فلزی داخل آن در اتصالات بخش‌های تقویت کننده جامدی موشک.

تاریخچه 
نوترون توسط جیمز چادویک در سال ۱۹۳۲ کشف شد. اولین نمایش رادیوگرافی نوترونی توسط کولمن و کوهن در اواخر دهه ۳۰ انجام شد. آنها دریافتند که هنگام بمباران به وسیله نوترون‌ها، برخی مواد تشعشعی را ساطع می‌کنند که می‌تواند فیلم را در معرض دید قرار دهد. این کشف تا سال ۱۹۴۶ یعنی زمانی که رادیوگرافی‌هایی با کیفیت پایین توسط پیترز کشف شد، در حد یک کنجکاوی باقی ماند. اولین رادیوگرافی نوترونی با کیفیت قابل قبول، توسط تولیس در سال ۱۹۵۵ انجام شد.

در حدود سال ۱۹۶۰ برگر و جان بارتون شروع به ارزیابی نوترون‌ها برای بررسی سوخت راکتور تحت تابش قرار گرفته، کردند. پس از آن، امکانات تحقیقاتی تا حدودی توسعه یافت. اولین امکانات تجاری، در اواخر دهه ۱۹۶۰ بیشتر در ایالات متحده و فرانسه و در نهایت در کشورهای دیگر مثل کانادا، ژاپن، افریقای جنوبی، آلمان و سوییس عرضه شد.

روند 
برای تولید یک تصویر نوترونی، منبعی از نوترون‌ها، یک کولیماتور (برای شکل‌دادن به نوترون‌های ساطع شده به صورت پرتوی یک جهته)، جسمی که باید تصویربرداری شود و روشی برای ثبت تصویر، نیاز می‌باشد.

منابع نوترون 
به‌طور کلی منبع نوترون، یک راکتور تحقیقاتی است که تعداد زیادی از نوترون‌ها در واحد سطح(شار) آن در جریان هستند. برخی از فعالیت‌ها با منابع ایزوتوپی نوترون‌ها انجام شده‌است (معمولا ذره برانگیخته شده کالیفرنیوم 252 و تا حدی امریسیم و غیره). این عوامل به ازای کاهش شدت نوترون و کیفیت تصویر، هزینه‌های سرمایه‌گذاری را کاهش و تحرک را افزایش می‌دهند. علاوه بر آن، دسترسی به منابع شتاب دهندهٔ نوترون‌ها رو به افزایش است که این منابع شامل شتاب‌دهنده‌های بزرگ با اهداف شکافت هستند که می‌توانند منابع مناسبی برای تصویربرداری نوترونی باشند.

مهار کردن 
پس از تولید نوترون‌ها، باید سرعت آن‌ها به سرعت موردنظر برای عکس‌برداری نوترونی کاهش یابد. این عمل می‌تواند با استفاده از آب، پلی‌اتیلن یا گرافیت در دمای اتاق، انجام شود. در مهارگر، نوترون‌ها با هسته اتم برخورد می‌کنند و در نتیجه سرعتشان کاهش می‌یابد. در نهایت سرعت این نوترون‌ها براساس دمای (میزان انرژی جنبشی) مهارگر به توزیعی یکنواخت دست خواهد یافت. اگر نوترون‌هایی با انرژی بالا مدنظر باشد یک تعدیل کننده گرافیتی را می‌توان برای تولید این نوترون‌ها گرم کرد (نوترونهای اپی‌ترمال). برای تولید نوترون‌های با انرژی پایین‌تر، می‌توان از یک تعدیل کننده سرد مثل دوتریوم مایع (ایزوتوپ هیدروژن) استفاده کرد (نوترون سرد). اگر ماده مهارگر وجود نداشته باشد یا مقدار آن کم باشد، نوترون‌های با انرژی بالا (یا نوترون‌های سریع) می‌توانند ساخته شوند. هر چه دمای مهارگربالاتر باشد انرژی جنبشی حاصل از نوترون‌ها بیشتر خواهد بود و نوترون‌ها سریع تر حرکت می‌کنند. به‌طور کلی نوترون‌های سریع، نفوذ بیشتری خواهند داشت اما برخی انحرافات

جالب از این روند وجود دارد و گاهی اوقات می‌توان از آنها در تصویربرداری نوترونی استفاده کرد. به‌طور کلی یک سیستم تصویربرداری برای تولید تنها یک واحد انرژی نوترون طراحی و راه‌اندازی می‌شود و اکثر سیستم‌های تصویربرداری، نوترون‌های گرمایی یا سرد را تولید می‌کنند.

در برخی شرایط ممکن است تنها یک سطح انرژی خاص از نوترون‌ها مورد نظر باشد. برای جداسازی انرژی موردنظر از نوترون‌ها یا خرد کردن پرتو نوترون برای جداکردن نوترون‌ها براساس سرعت آن گزینه‌هایی موجود می‌باشند. اما معمولاً در این روند، نوترون‌هایی با شتاب پایین تولید می‌شوند. به‌طور کلی این روش فقط برای کارهای تحقیقاتی انجام می‌شود.

این بحث، بر تصویربرداری نوترون حرارتی متمرکز است. گرچه بسیاری از این اطلاعات برای تصویربرداری نوترون سرد و اپی‌ترمال هم کاربرد دارد. تصویربرداری سریع نوترونی، یک رشته جذاب برای کاربردهای امنیتی داخلی است ولی در حال حاضر به‌طور تجاری در دسترس نیست.

تطبیق 
در تعدیل‌کننده‌ها، نوترون‌ها در جهات مختلف حرکت می‌کنند. برای ایجاد یک تصویر مناسب، نوترون‌ها باید در یک جهت نسبتاً یکنواخت حرکت کنند (معمولا کمی واگرا). برای انجام این کار، یک روزنه (منفذی که به نوترون‌ها اجازه می‌دهد از درون آن عبور کنند که توسط مواد جاذب نوترون‌ها احاطه شده‌است) ورود نوترون‌ها به کلیماتور را محدود می‌کند. بعضی از سطوح کلیماتور که با مواد جذب کننده نوترون، (مثلا بور) پوشیده شده‌اند، نوترون‌هایی را که طول کلیماتور را در جهت مورد نظر طی نمی‌کنند، جذب می‌کنند. یک ارتباط بین کیفیت تصویر و زمان پرتودهی وجود دارد. یک سیستم با تنظیم کوتاه‌تر یا دیافراگم بزرگتر، پرتو نوترونی شدیدتری تولید می‌کند اما نوترون‌ها در زوایای متنوع‌تری حرکت می‌کنند. در حالی که یک کلیماتور بلندتر یا دیافراگم کوچکتر یکنواختی بیشتری در جهت حرکت نوترون‌ها تولید می‌کند اما به‌طور واضحی نوترون‌های کمتر و مدت زمان پرتودهی طولانی‌تری خواهیم داشت.

شیء 
شیء مورد نظر در معرض پرتو نوترونی قرار می‌گیرد. باتوجه به عدم وضوح تصویر نسبت به تصویربرداری با اشعه ایکس، شیء، معمولاً تا حد امکان باید نزدیک به دستگاه ضبط تصویر قرار گیرد.

تبدیل 
اگرچه روش‌های مختلفی برای ضبط تصاویر وجود دارند، اما نوترون‌ها به راحتی تصویربرداری نمی‌شوند و باید به شکل دیگری از تشعشع تبدیل شوند که راحت‌تر تشخیص داده شوند. بعضی از صفحات مبدل، برای این کار استفاده می‌شوند. برخی روش‌های ثبت تصویر، مواد را مستقیماً به ضبط کننده تصاویر انتقال می‌دهند. اغلب این صفحات به شکل لایه نازک از گادولینیوم که یک جذب‌کننده قوی برای نوترون‌های حرارتی است، وجود دارند. یک لایه ۲۵ میکرومتری از گادولینیوم برای جذب ۹۰ درصد نوترون‌های حرارتی وارد شده کافی است. در برخی شرایط ممکن است عناصر دیگری مثل بور، ایندیم، طلا یا دیسپروزیوم یا موادی مثل صفحات لیتیم فلورید استفاده شود که آن صفحه، نوترون‌ها را جذب کرده و نور مرئی ساطع می‌کند.

ثبت تصویر 
از روش‌های مختلفی برای تولید تصاویر به وسیله نوترون‌ها استفاده می‌شود. تا همین اواخر، تصویربرداری نوترونی بر روی فیلم‌های اشعه ایکس ثبت می‌شد، اما انواع روش‌های دیجیتال امروزه در دسترس می‌باشند.

رادیوگرافی نوترونی 
رادیوگرافی نوترونی، فرایند تولید تصویر نوترونی می‌باشد که بر روی یک فیلم ضبط می‌شود. این معمولا بالاترین وضوح تصویربرداری نوترونی است؛ گرچه اخیرا روش‌های دیجیتال با تنظیمات ایده‌آل، به نتایج قابل مقایسه‌ای منتج می‌شوند. متداول‌ترین روش، استفاده از صفحه تبدیل گادولینیومی برای تبدیل نوترون‌ها به الکترون‌های پرانرژی می‌باشد که یک فیلم اشعه ایکس امولسیونی را در معرض دید قرار می‌دهد.

روش مستقیم با فیلمی که در خط پرتو وجود دارد انجام می‌شود؛ پس نوترون‌ها توسط صفحه تبدیل جذب می‌شوند که به سرعت نوعی تشعشع را ساطع می‌کنند و فیلم را در معرض دید قرار می‌دهند. در روش غیرمستقیم فیلمی به‌طور مستقیم در خط پرتو وجود ندارد. صفحه تبدیل، نوترون‌ها را جذب می‌کند اما گاهی اوقات، قبل از انتشار تشعشع، تأخیر زمانی به وجود می‌آید. پس از ضبط تصویر روی صفحه تبدیل، این صفحه برای مدتی (معمولا چند ساعت) در تماس نزدیک با فیلم قرار می‌گیرد تا تصویری روی فیلم ایجاد شود. روش غیرمستقیم مزایای قابل توجهی در برخورد با اجسام رادیواکتیو یا سیستم‌های تصویربرداری با آلودگی گاما دارد؛ در غیر این صورت معمولاً روش مستقیم ارجحیت دارد.

رادیوگرفی نوترونی یک سرویس تجاری در دسترس است که به‌طور گسترده در صنعت هوافضا برای آزمایش پره‌های توربین، موتور هواپیما، تست مواد منفجره با قابلیت اطمینان بالا و تا حدودی در صنایع دیگر برای شناسایی مشکلات در طول چرخه‌های توسعه محصول استفاده می‌شود.

اصطلاح رادیوگرافی نوترونی اغلب برای اشاره به تمام روش‌های تصویربرداری نوترونی، به اشتباه به کار می‌رود.

تصویربرداری نوترونی دیجیتالی 
روش‌های مختلف با مزایا و معایب متفاوتی برای گرفتن تصاویر نوترونی دیجیتال با نوترون‌های حرارتی وجود دارند. این روش‌های تصویربرداری به‌طور گسترده در محافل دانشگاهی مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ زیرا نیازی به پردازنده‌های فیلم و اتاق تاریک ندارند و همچنین مزایای متنوعی ارائه می‌کنند. علاوه بر آن تصاویر فیلم را می‌توان با استفاده از اسکنر، دیجیتالی کرد.

دوربین نوترونیک 
دوربین نوترونیک، سیستم تصویربرداری مبتنی بر دوربین دیجیتالی می‌باشد. نوترون‌ها از جسم مورد نظر عبور می‌کنند، سپس یک صفحه از نوترون‌ها به نور مرئی تبدیل می‌شود. این نور از برخی اپتیک‌ها (به منظور به حداقل رساندن قرار گرفتن دوربین در معرض تابش یونیزان) عبور می‌کند، سپس تصویر توسط دوربین CCD گرفته می‌شود (چند نوع دوربین دیگر نیز وجود دارد، از جمله CMOS و CID که نتایج مشابهی را ایجاد می‌کنند).

دوربین‌های نوترونی، مشاهده تصاویر را در لحظه (معمولاً با وضوح پایین) امکان‌پذیر می‌کنند که برای مطالعه جریان سیال دو فازی در لوله‌های مات، تشکیل حباب هیدروژن در سلول‌های سوختی و حرکت روان‌کننده در موتورها مفید می‌باشد. این سیستم تصویربرداری به وسیله یک صفحه چرخشی، می‌تواند تعداد زیادی عکس در زوایای مختلف بگیرد که می‌تواند به یک تصویر سه بعدی (توموگرافی نوترونی) بازسازی شود.

هنگامی که این سیستم‌ها با یک صفحه نازک و اپتیک همراه می‌شوند، می‌توانند تصاویری با وضوح بالا با زمان‌های نوردهی مشابه با تصویربرداری فیلم تولید کنند؛ اگرچه صفحه تصویربرداری، معمولاً با توجه به تعداد پیکسل‌های موجود بر روی تراشه‌های دوربین CCD باید کوچک باشد.

با وجود اینکه این سیستم‌ها مزایای قابل توجهی دارند (توانایی انجام تصویربرداری در لحظه، سادگی و هزینه نسبی کم برای کاربرد تحقیقاتی، وضوح بالقوه نسبتاً بالا، مشاهده سریع تصویر)، معایب قابل توجهی از جمله پیکسل‌های ناخوانا روی دوربین (که ناشی از قرار گرفتن در معرض تشعشع است)، میدان دید محدود و طول عمر کم دوربین‌ها در محیط‌های با تشعشع بالا، نیز دارند.

صفحات تصویر 
برای تولید تصاویر نوترونی، می‌توان همانند اشعه ایکس، از صفحات تصویر همراه با یک اسکنر صفحه استفاده کرد. نوترون هنوز باید به شکل دیگری از تابش تبدیل شود تا توسط صفحه، تصویر گرفته شود. مدت کوتاهی طول کشید و صفحات تصویر حساس به نوترون تولید شدند که حاوی یک ماده مبدل در صفحه بودند و وضوح بهتری نسبت به مواد مبدل خارج از صفحه ارائه کردند. صفحات تصویر، فرآیندی را ارائه می‌دهند که بسیار شبیه به تصویربرداری فیلم است، اما تصویر روی صفحه با قابلیت استفاده مجدد ثبت می‌شود که پس از تصویربرداری خوانده و پاک می‌شود. این سیستم‌ها فقط تصاویر ثابت (استاتیک) تولید می‌کنند. با استفاده از صفحه تبدیل و صفحه تصویر اشعه ایکس، زمان‌های نوردهی قابل مقایسه برای تولید تصویری با وضوح کمتر نسبت به تصویربرداری فیلم مورد نیاز است. صفحات تصویر با مواد مبدل داخلی تصاویر بهتری نسبت به مبدل خارج از صفحه تولید می‌کنند، اما در حال حاضر تصاویری به خوبی فیلم ایجاد نمی‌کنند.

پنل‌های آشکارساز سیلیکونی 
یک تکنیک دیجیتالی مشابه تصویربرداری CCD می‌باشد. قرار گرفتن در معرض نوترون منجر به کوتاه شدن طول عمر آشکارسازها می‌شود که همین امر باعث شده سایر تکنیک‌های دیجیتال نسبت به این روش ترجیح داده شوند.

صفحات با کانال میکرومتری(DR system) 

این سیستم، روشی نوظهور است که یک آشکارساز دیجیتال با پیکسل‌های بسیار کوچک دارد. این دستگاه دارای کانال‌های کوچک (میکرومتری) است که سمت منبع آن با مواد جذب‌کننده نوترون (معمولاً گادولینیوم یا بور) پوشیده شده‌است. ماده جاذب نوترون، نوترون‌ها را جذب کرده و آنها را به تشعشعات یونیزه تبدیل می‌کند و این باعث می‌شود که الکترون‌ها آزاد شوند. همچنین ولتاژ زیادی در سراسر دستگاه اعمال می‌شود و باعث می‌شود که الکترون‌های آزاد شده، همزمان با شتاب گرفتن درون کانال‌های کوچک، تقویت شده و سپس توسط یک آشکارساز دیجیتالی تشخیص داده شوند.

جستارهای وابسته 
 تابش نوترون
 نشر نوترون
 بمب نوترونی

منابع

پیوند به بیرون 

 https://mnrc.ucdavis.edu/neutron-radiography
 https://www.iaea.org/topics/neutron-imaging
 https://www.psi.ch/en/niag/what-is-neutron-imaging
 https://nmi3.eu/news-and-media/neutron-imaging-past-present-and-future.html
تصویربرداری
فنون نوترونی
نوترون