Radiografia

Radiografia należy do najbardziej klasycznych zastosowań akceleratorów. Tak np. betatrony są stosowane do defektoskopii przemysłowej już od ponad 25 lat. Ostre wymagania stawiane materiałom, szczególnie przez przemysł zbrojeniowy w okresie drugiej wojny światowej, przyspieszyły rozwój radiografii rentgenowskiej, a następnie - zastosowanie do tego celu akceleratorów. Urządzenia te umożliwiły badania jakości kotłów stalowych i spawów o grubości początkowo rzędu kilkunastu centymetrów, jak również torped, pocisków i min o średnicy powyżej 60cm. W wykonaniach szczytowych możliwe jest obecnie dokonywanie radiografii elementów stalowych o grubościach do 50cm - w tym zakresie akceleratorom nie dorównują żadne inne źródła promieniowania jonizującego.

Spośród różnych rodzajów promieniowania wytwarzanych przez akceleratory, do radio­grafii stosuje się twarde promieniowanie X, neutrony oraz protony. Metody rutynowe oparte są na zastosowaniu promieniowania X; radiografia neutronowa i protonowa jest stosowana na mniejszą skalę.

Radiografia promieni X

Zasadę sporządzania radiogramów pokazano na powyższym. Wiązka przyspieszonych elektronów 1, padając na antykatodę 2 powoduje powstawanie wiązki promieniowania X. Wiązka ta przenika następnie przez przedmiot badany 4 i pada na błonę radiograficzną 6, powodując jej zaczernienie. Obraz otrzymany na błonie składa się z obszarów o różnym zaczernieniu, zależnym od absorpcji promieniowania przez poszczególne obszary przedmiotu. Jeśli w przedmiocie tym występować będą wady 5 (np. pęcherze powietrza w odlewie lub spoinach elementów spawanych), promieniowanie X zostanie w tym obszarze pochłonięte w mniejszym stopniu, co odpowiadać będzie większemu zaczernieniu błony. Zaczernienie to lub gęstość optyczną wyraża się za pomocą logarytmu dziesiętnego stosunku natężenia światła padającego na błonę do natężenia światła przechodzącego.

Ponieważ emulsja fotoczuła błony ma stosunkowo niewielki współczynnik pochłaniania promieniowania X, do radiografii rentgenowskiej stosuje się błony kilkuwarstwowe, a także metalowe okładki wzmacniające w postaci cienkich folii, przykładanych do obu stron błon. Okładki te wykonuje się z ołowiu lub z tantalu. Promieniowanie X wzbudza w folii ołowianej elektrony wtórne, które padając na emulsję zwiększają efekt jej napromieniowania.

Radiografia neutronowa

Radiografia neutronowa—jakkolwiek stosowana na mniejszą skalę od radiografii promieniowaniem X — już w latach sześćdziesiątych stała się rutynową metodą defektoskopową. Do radiografii tej stosuje się przede wszystkim neutrony powolne. Jako źródła tych neutronów wykorzystywano początkowo reaktory jądrowe oraz izotopowe źródła neutronowe. Od początku lat siedemdziesiątych coraz częściej wykorzystuje się do radiografii neutronowej akceleratory zarówno w postaci lamp neutronowych, jak i w postaci generatorów neutronów, przystosowanych do tego celu, bądź też przeznaczonych wyłącznie do radiografii. Oprócz radiografii neutronami powolnymi generatory neutronów stosuje się na mniejszą skalę do radiografii neutronami prędkimi.

Na powyższym rysunku pokazano przebieg współczynników pochłaniania masowego dla neutronów cieplnych oraz promieniowania X w funkcji liczby atomowej Z. Poszczególne pierwiastki wykazują dla neutronów znacznie większe zróżnicowanie tych współczynników w porównaniu z promieniowaniem X o danej energii. Dla neutronów cieplnych zróżnicowanie to jest większe niż dla neutronów prędkich.

Ponieważ współczynniki pochłaniania neutronów w różnych materiałach są całkowicie różne od współczynników pochłaniania promieniowania X, za pomocą radiografii neutronowej można badać inne szczegóły elementów. Tak np. wtrącenia boru o wysokim współczynniku pochłaniania w próbkach aluminiowych będą łatwo wykrywalne za pomocą radiografii neutronowej, natomiast niedostrzegalne za pomocą promieniowania X. Dzięki tej własności radiografia neutronowa znalazła zastosowanie do badania paliw reaktorowych, materiałów wybuchowych oraz w tych dziedzinach, w których występuje konieczność wykonania radiogramu materiału o małej liczbie Z, znajdującego się w otoczeniu materiału o dużym Z.

Inna ciekawa możliwość zastosowania radiografii neutronowej wynika z faktu, iż poszczególne izotopy tego samego pierwiastka wykazują zróżnicowane współczynniki pochłaniania neutronów. Umożliwia to określanie stężeń poszczególnych izotopów w elementach wieloizotopowych. Metoda ta znalazła szersze zastosowanie, np. do kontroli elementów paliwowych reaktorów jądrowych wykonywanych z uranu wzbogaconego w izotop ²³⁵U.

Źródła

1. Waldemar Scharf, Akceleratory cząstek naładowanych i ich zastosowania, PWN, Warszawa 1987, strony 393-404
2. Sławomir Artur Wronka, Akceleratory Biomedyczne Materiały Wykładowe, 2007
3. http://www.btg.cc/projects/accelerators.php