Sciencemag.cz
Doporučujeme
Zobrazování objektů pomocí neutronů, tzv. neutronová radiografie, v současné době zažívá prudký rozvoj, který též souvisí s budováním tzv. tříštivých neutronových zdrojů. Jsou to výzkumná zařízení, která generují neutronové záření pomocí jaderné reakce vysokoenergetických protonů urychlovače a jádra některého z těžších prvků, například olova.
Jaderné tříštění (anglicky spallation) je vyvoláno nasměrováním vysoce energetických nabitých částic, nejčastěji protonů, na kovový terč. Nabité částice produkované urychlovačem se při energiích několika stovek MeV sráží s jednotlivými nukleony (tj. neutrony nebo protony) v terčovém jádru, které pak unikají z místa interakce nebo vstupují do dalších interakcí v jádru (tzv. jaderná kaskáda). Tento proces poskytuje vysoce vzbuzené zbytkové jádro, které se deexcituje uvolněním dalších neutronů nebo protonů. Pro energii nižší než ~15 MeV už dále nedochází k emisi dalších nukleonů a zbylé jádro se nazývá produkt tříštivé reakce. Celý tento proces může uvolnit 10–15 neutronů na jednu příchozí nabitou částici. Tříštivý neutronový zdroj vyžaduje výkonný urychlovač protonů. Protony jsou fokusovány a vedeny magnety uvnitř evakuovaných trubic do silně stíněného tříštivého neutronového zdroje. Výhody použití tříštivého zdroje ve srovnání s jaderným reaktorem spočívají ve výrazně vyšší jaderné bezpečnosti: není potřeba žádný štěpný materiál, není třeba regulovat řetězovou štěpnou reakci a během provozu je vyprodukováno výrazně méně radioaktivních odpadů.
Neutrony generované jak ve štěpném jaderném reaktoru, tak v tříštivém zdroji mají příliš vysokou energii na to, aby mohly být využity, a proto musí být zpomaleny rozptylovými procesy až na energii, která odpovídá tepelným kmitům v látce (~2200 m/s). Toho lze docílit prostřednictvím tzv. moderátoru, příkladem může být tzv. těžká voda (D2O). Moderací získáme již zmíněné tepelné neutrony. Tzv. studené neutrony jsou produkovány rozptylem tepelných neutronů na studených molekulách, např. na kapalném deuteriu při teplotě −250 °C.
Jedním z prvních takových zařízení svého druhu je tříštivý zdroj SINQ ve švýcarském Paul Scherrer Institute (PSI) [92], který je v provozu od roku 1996. Neutronový tok činí 1014 n.cm−2.s−1 a produkované neutrony jsou zpomaleny (moderovány) zmíněným kapalným deuteriem. Ke zdroji SINQ je připojena řada experimentálních zařízení pro studium materiálů pomocí neutronového rozptylu či difrakce. Drtivá většina z nich používá plynové detektory na bázi 3He. Ovšem experimentální stanice pro zobrazování pomocí tepelných neutronů NEUTRA využívá scintilátor ZnS:Ag/LiF [95]. Studené neutrony využívá experimentální zařízení ICON [96].
Interakce volného neutronu s atomy nejsou ovlivněny jejich elektronovým obalem – proto může neutron proniknout hluboko do hmoty. Způsob interakce neutronu s materiálem energie neutronu.
mají velký účinný průřez pro záchyt tepelných obsahující takové prvky jsou vhodné jako stínící materiály nebo materiály pro detekci neutronů. Jiná atomová jádra (např. hliník nebo olovo) interagují s neutrony jen slabě, pro neutronové záření jsou tedy téměř průhledné. Některá jádra neutrony spíše odchylují od roviny trajektorie, vyvolávají tedy rozptyl neutronů (toto je případ většiny izotopů). Rozptyl se nejvíce uplatňuje v materiálech bohatých na vodík. Stejně jako jiné elementární částice, i neutrony se chovají nejen jako hmotné částice, ale také jako vlny. Platí pro ně tedy analogické zákony jako pro šíření světla, tj. například zákony lomu, difrakce nebo interference, které přesně popisují některé interakce neutronů s hmotou.
Pro výzkum materiálů mají tepelné nebo studené neutrony zvláštní význam, protože jejich energie nebo vlnová délka je vhodná k objasnění struktury a dynamiky procesů v pevných látkách. Závislost pravděpodobnosti interakce neutronů s hmotou na energii nebo vlnové délce lze použít k tvorbě proměnného kontrastu obrazu v neutronových radiografických aplikacích. Výtěžek reakcí pro detekci neutronů roste při nízkých energiích neutronu, což je předpoklad pro dostatečnou citlivost a prostorové rozlišení v neutronovém zobrazování.
Co se týče rozdílů zobrazování pomocí rentgenového záření a neutronů, jeden z hlavních spočívá v tom, že rentgenové záření je elektromagnetické záření, které interaguje s elektrony v elektronovém obalu atomu. Pravděpodobnost interakce silně koreluje s počtem elektronů v atomu prvku, tj. atomovým číslem Z. Těžké materiály rentgenové záření zeslabují mnohem výrazněji než lehké materiály, jako je např. tkáň, voda, či plasty. Pro interakci tepelných nebo studených neutronů s hmotou ale žádná obdobná závislost neexistuje.
…
Existuje mnoho odvětví, která by mohla v budoucnu významně těžit z neutronových zobrazovacích technik s vysokým rozlišením, od elektrochemie a materiálů pro jadernou bezpečnost přes fyziku půdy až k zobrazování různých biologických systémů. V důsledku toho byl v PSI zahájen projekt pro vývoj neutronového mikroskopu s cílem vyvinout nástroj pro neutronové zobrazování s velmi vysokým rozlišením. Hlavním technickým cílem bylo dosažení prostorového rozlišení pod 5 μm a zachování přiměřené doby expozice (tj. méně než 10 minut pro jednotlivé snímky). Neutronový mikroskop sám o sobě není založen na neutronové optice, ale na běžné optice s velkou aperturou, která je připojená k vysoce výkonnému neutronovému scintilátoru na bázi oxysulfidu gadolinitého dopovaného ionty terbia (Gd2O2S:Tb3+). První prototyp byl sestaven a testován na PSI a dovoluje pořizovat snímky s prostorovým rozlišením asi 8 μm, což je asi čtyřnásobné vylepšení rozlišení ve srovnání s dosud běžně používanými zařízeními [327].
Tento text je úryvkem z knihy:
JARÝ VÍTĚZSLAV, PEJCHAL JAN: Scintilační materiály
Academia 2023
V posledních letech raketově roste počet průmyslových, lékařských, bezpečnostních a vědeckých aplikací, při kterých je nutné detekovat neviditelné ionizující záření (např. gama, rentgenové záření). Předkládaná kniha se zabývá popisem scintilačních materiálů, které jsou pro tyto účely vhodné. Tyto materiály přeměňují energii vysokoenergetického ionizujícího záření na fotony z oblasti ultrafialového nebo viditelného záření, které se pak dají běžnými fotodetektory převést na elektrický signál a dále zpracovat. Mezi nejznámější aplikace, kde se s těmito materiály můžeme potkat, patří výpočetní tomografie, detektory částic LHC v CERNu nebo monitorovací drony používané kolem Fukušimy v Japonsku.
O knize na stránkách vydavatele
