中性子イメージング

中性子イメージングは​​、中性子を使用して画像を作成するプロセスです。結果として得られる画像は、画像化されたオブジェクトの中性子減衰特性に基づいています。結果として得られる画像は、工業用X 線画像と多くの共通点がありますが、画像は X 線減衰特性ではなく中性子減衰特性に基づいているため、中性子イメージングでは簡単に見えるものが、X 線イメージング技術では非常に困難または見ることができない場合があります (逆の場合も同様)。

X 線は物質の密度に基づいて減衰します。密度の高い物質はより多くの X 線を遮断します。中性子の場合、物質の中性子減衰の可能性は密度とは関係ありません。ホウ素などの一部の軽い物質は中性子を吸収しますが、水素は一般に中性子を散乱させます。また、一般的に使用される多くの金属はほとんどの中性子を通過させます。このため、多くの場合、中性子イメージングは​​ X 線イメージングよりも適しています。たとえば、固体ロケットブースターのセグメント ジョイントなどの金属部品内部のO リングの位置と完全性を調べる場合などです。

中性子は1932 年にジェームズ チャドウィックによって発見されました。中性子による放射線撮影の最初のデモンストレーションは、 1930 年代後半にハルトムート カルマンと E. クーンによって行われました。彼らは、中性子を照射すると、一部の物質がフィルムを感光させる放射線を放出することを発見しました。この発見は、1946 年にピーターズによって低品質の放射線写真が撮影されるまで、好奇心をそそるものでした。まともな品質の最初の中性子による放射線写真は、1955 年に J. シューリス (英国) によって撮影されました。

1960 年頃、ハロルド・バーガー (米国) とジョン・P・バートン(英国) は、照射された原子炉燃料を調査するために中性子の評価を開始しました。その後、いくつかの研究施設が開発されました。最初の商業施設は 1960 年代後半に主に米国とフランスで稼働し、その後、カナダ、日本、南アフリカ、ドイツ、スイスなどの他の国々でも稼働しました。

中性子画像を生成するには、中性子源、放出された中性子をほぼ一方向のビームに成形するコリメータ、画像化する対象物、および画像を記録する何らかの方法が必要です。

一般的に中性子源は研究用原子炉であり、^{[1] [2]} 、単位面積あたりの中性子数（フラックス）が大量に得られる。同位体中性子源の研究もいくつか完了している（主にカリホルニウム252の自発核分裂^[3]だが、Am - Be同位体源などもある）。これらは資本コストの削減と機動性の向上をもたらすが、その代償として中性子強度が大幅に低下し、画像品質が大幅に低下する。さらに、大型加速器と核破砕ターゲット^{[4]を含む加速器中性子源の利用可能性が高まっており、これらは中性子イメージングに適した源となり得る。ポータブル加速器ベースの中性子発生器は、}重水素-重水素または重水素-三重水素の核融合反応を生み出す中性子を利用する。^[5]

中性子が生成された後、画像化に必要な速度まで減速（運動エネルギーの減少）する必要があります。これは、熱中性子を生成するために、室温の水、ポリエチレン、またはグラファイトの長さの形をとることができます。減速材では、中性子は原子核と衝突して減速します。最終的に、これらの中性子の速度は、減速材の温度（運動エネルギーの量）に基づいて何らかの分布を実現します。より高エネルギーの中性子が必要な場合は、グラファイト減速材を加熱して、より高エネルギーの中性子（熱外中性子と呼ばれる）を生成することができます。より低エネルギーの中性子の場合、液体重水素などの冷たい減速材を使用して、低エネルギー中性子（冷中性子）を生成することができます。減速材がまったくないか、または少ない場合は、高エネルギー中性子（高速中性子と呼ばれる）を生成することができます。減速材の温度が高いほど、中性子の運動エネルギーが高くなり、中性子の移動速度が速くなります。一般的に、中性子の速度が速いほど透過性は高くなりますが、この傾向から興味深い逸脱がいくつか存在し、中性子イメージングで利用されることがあります。一般的に、イメージング システムは単一エネルギーの中性子のみを生成するように設計および設定されており、ほとんどのイメージング システムは熱中性子または冷中性子を生成します。

状況によっては、特定のエネルギーの中性子のみを選択することが望まれる場合があります。特定のエネルギーの中性子を分離するには、結晶から中性子を散乱させるか、中性子ビームを切断して速度に基づいて中性子を分離する方法がありますが、通常、この方法では中性子の強度が非常に低くなり、露出時間が非常に長くなります。通常、これは研究用途でのみ実行されます。

この説明は熱中性子イメージングに焦点を当てていますが、この情報の多くは冷中性子イメージングや熱外イメージングにも当てはまります。高速中性子イメージングは​​国土安全保障アプリケーションにとって興味深い分野ですが、現在は市販されておらず、ここでは一般的には説明しません。

減速装置内では、中性子はさまざまな方向に進みます。良好な画像を作成するには、中性子がほぼ均一な方向 (通常はわずかに発散する方向) に進む必要があります。これを実現するために、アパーチャ (中性子を通過させる開口部で、周囲を中性子吸収材で囲まれている) によって、コリメータに入る中性子が制限されます。中性子吸収材 (ホウ素など) を含むコリメータの長さによって、コリメータの長さ分だけ目的の方向に進まない中性子が吸収されます。画像の品質と露出時間の間にはトレードオフがあります。コリメーション システムを短くするかアパーチャを大きくすると、中性子ビームはより強力になりますが、中性子はより多様な角度で進みます。一方、コリメータを長くするかアパーチャを小さくすると、中性子の移動方向の均一性が高まりますが、存在する中性子の数は大幅に少なくなり、露出時間が長くなります。

対象物は中性子ビーム内に置かれます。X線システムで見られるものよりも 幾何学的な不鮮明さが増すため、対象物は通常、画像記録装置のできるだけ近くに配置する必要があります。

中性子画像を検出して記録するために、さまざまな方法が一般的に使用されています。最近まで、中性子画像は一般に X 線フィルムに記録されていましたが、現在ではさまざまなデジタル方法が利用可能です。

画像記録方法は数多く存在しますが、中性子は一般に簡単には測定できず、より検出しやすい他の形態の放射線に変換する必要があります。この作業には一般に何らかの形の変換スクリーンが使用されますが、画像キャプチャ方法によっては変換材料が画像レコーダーに直接組み込まれています。多くの場合、これは熱中性子の非常に強力な吸収体であるガドリニウムの薄い層の形をとります。25 マイクロメートルのガドリニウム層は、入射する熱中性子の 90% を吸収するのに十分です。状況によっては、ホウ素、インジウム、金、ジスプロシウムなどの他の元素が使用される場合や、変換スクリーンが中性子を吸収して可視光を放射する LiF シンチレーション スクリーンなどの材料が使用される場合もあります。

フィルムは一般に中性子画像化の最高解像度の形式ですが、最近では理想的な設定によるデジタル方式でも同等の結果が達成されています。最も頻繁に使用される方法は、ガドリニウム変換スクリーンを使用して中性子を高エネルギー電子に変換し、単一のエマルジョン X 線フィルムを露光する方法です。

直接法は、ビームラインにフィルムがある状態で実行されるため、中性子は変換スクリーンに吸収され、変換スクリーンはすぐに何らかの放射線を放出してフィルムを露光します。間接法では、ビームラインにフィルムが直接ありません。変換スクリーンは中性子を吸収しますが、放射線が放出されるまでにいくらかの時間遅延があります。変換スクリーンに画像を記録した後、変換スクリーンを一定時間 (通常は数時間) フィルムに密着させて、フィルム上に画像を生成します。間接法は、放射性物質やガンマ線汚染の高い画像システムを扱う場合に大きな利点がありますが、それ以外の場合は通常、直接法が好まれます。

中性子ラジオグラフィーは、商業的に利用可能なサービスであり、航空機エンジンのタービンブレード、宇宙計画のコンポーネント、信頼性の高い爆発物のテストのために航空宇宙産業で広く使用されており、また、他の産業でも、製品開発サイクル中に問題を特定するために、程度は低いものの使用されています。

中性子はイオンに変換され、セルロースやCR-39などのプラスチックで作られた飛跡検出器を通過する。イオンはイオン飛跡と呼ばれる化学損傷の跡を生成する。次に酸浴を使用してプラスチックをエッチングし、飛跡を顕微鏡で見える穴まで広げる。^{[6] [7]} また、中性子はプラスチック自体の原子核を散乱させることができるため、変換スクリーンなしで飛跡検出器を使用して中性子を検出することも可能です。^[8]

熱中性子を使用してデジタル中性子画像を撮影する方法はいくつかあり、それぞれに長所と短所があります。これらの画像化方法は、フィルム プロセッサや暗室が不要であることや、さまざまな利点があることなどから、学術界で広く使用されています。さらに、フィルム画像は透過スキャナを使用してデジタル化できます。

中性子カメラは、デジタル カメラまたは同様の検出器アレイに基づく画像システムです。中性子は画像化するオブジェクトを通過し、シンチレーション スクリーンによって可視光に変換されます。この光はその後、いくつかの光学系 (カメラの電離放射線への露出を最小限に抑える目的) を通過し、CCD カメラによって画像がキャプチャされます (CMOS や CID など、同様の結果を生み出す他のカメラ タイプもいくつか存在します)。

中性子カメラはリアルタイム画像（通常は低解像度）を可能にし、不透明なパイプ内の二相流体の流れ、燃料電池内の水素気泡の形成、エンジン内の潤滑剤の動きを研究する上で有用であることが証明されています。この画像化システムは回転テーブルと連動して、さまざまな角度から多数の画像を撮影し、3次元画像（中性子断層撮影）に再構成することができます。

薄いシンチレーション スクリーンと優れた光学系を組み合わせると、これらのシステムはフィルム画像と同様の露出時間で高解像度の画像を作成できますが、使用可能な CCD カメラ チップのピクセル数を考えると、通常は画像面を小さくする必要があります。

これらのシステムには、いくつかの大きな利点（リアルタイム画像化が可能、研究用途でのシンプルさと比較的低コスト、十分に高い解像度の可能性、迅速な画像表示）がありますが、カメラのデッドピクセル（放射線被曝による）、シンチレーションスクリーンのガンマ感度（通常は除去にメディアンフィルタリングを必要とする画像アーティファクトを生成）、視野の制限、高放射線環境でのカメラの寿命の制限など、大きな欠点も存在します。

X 線を検出するために使用される光刺激性蛍光体プレートは、レーザー スキャナーと組み合わせて使用​​して、システムで X 線画像が生成されるのと同じように中性子画像を生成することができます。中性子は、イメージング プレートで捕捉されるために、他の形式の放射線に変換される必要があります。短期間、富士はプレート内にコンバーター材料を含み、外部変換材料よりも優れた解像度を提供する中性子感度イメージング プレートを製造していました。

イメージング プレートはフィルム イメージングと非常によく似たプロセスを提供しますが、画像は再利用可能なイメージング プレートに記録され、イメージング後に読み取られて消去されます。これらのシステムでは静止画像のみが生成されます。変換スクリーンと X 線イメージング プレートを使用すると、フィルム イメージングよりも解像度の低い画像を生成するために同等の露出時間が必要になります。変換材料が埋め込まれたイメージング プレートは、外部変換よりも優れた画像を生成しますが、現時点ではフィルムと同じ品質の画像は生成されません。

フラットパネル シリコン検出器は、CCD イメージングに似たデジタル技術です。中性子への曝露により検出器の寿命が短くなるため、他のデジタル技術が好まれるようになりました。

マイクロチャネル プレートは、ピクセル サイズが非常に小さい、新しいタイプのデジタル検出器です。このデバイスには、小さな (マイクロメートル) チャネルが貫通しており、ソース側は中性子吸収材料 (通常はガドリニウムまたはホウ素) でコーティングされています。中性子吸収材料は中性子を吸収し、電子を解放する電離放射線に変換します。デバイス全体に大きな電圧が印加され、解放された電子は小さなチャネルを通って加速され、増幅されてデジタル検出器アレイによって検出されます。

高速中性子とガンマ線放射線写真法を使用して貨物コンテナをスキャンするシステムは、 CSIROによって開発され、 2005年から2006年にかけてブリスベン国際空港で試験されました。このシステムでは、中性子発生器とガンマ線源を使用してコリメートビームを生成し、貨物コンテナはチェーンコンベアベルトに乗ってトンネルを通過し、シンチレータ中性子検出器とガンマ線検出器がトンネルの反対側の列に設置されました。コンテナが装置を通過するのに約2分かかります。^[9]

銃器などの金属物は検出できるが他の物質には問題があるX線スキャンとは異なり、高速中性子およびガンマ線放射線検査は幅広い物質に感度があります。さらに、中性子減衰とガンマ線減衰の比率を測定することで、スキャンした物質の元素組成を分析することができます。^[9]

このスキャナーのアップグレード版であるAC6015XN航空貨物スキャナーは、NuctechとCSIROが共同開発し、2009年に北京で開発・試験された。AC6015XNは設置面積が小さく、遮蔽が異なり、ガンマ線ビームの代わりに立体的な二重X線ビーム（線形加速器によって生成）が使用され、トンネルの側面と上部にX線検出器が設置されていた。中性子放射線による放射線量は約8マイクロシーベルト（800μrem）で、英国や米国などの国で食品の放射線照射に設定されている制限値をはるかに下回っていた。^[9]

• 中性子ラジオグラフィーとゲージングの実用的応用; Berger、Harold、ASTM