Una nuova termografia che utilizza l'analisi di diffusione anelastica della lunghezza d'onda

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 688 (2023) Citare questo articolo

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La termografia che utilizza l'imaging della trasmissione di neutroni dipendente dall'energia può visualizzare in modo non invasivo e non distruttivo una distribuzione nello spazio reale delle temperature interne di un materiale in un contenitore. In precedenza, sono state sviluppate l'analisi dell'ampliamento dell'assorbimento della risonanza e l'analisi dello spostamento del bordo di Bragg utilizzando la trasmissione di neutroni risolta in energia, tuttavia rimangono alcuni problemi, ad esempio l'efficienza dell'immagine, la limitazione della sostanza e la sensibilità alla temperatura. Per questo motivo, proponiamo una nuova termografia neutronica che utilizza la dipendenza dalla temperatura dello scattering anelastico di neutroni freddi. Questo metodo presenta alcuni vantaggi, ad esempio l'efficienza dell'immagine è elevata perché i neutroni freddi vengono misurati con una risoluzione di lunghezza d'onda moderata e in linea di principio è possibile analizzare gli elementi leggeri. Abbiamo studiato la fattibilità di questa nuova termografia neutronica con strumenti di imaging del tempo di volo a neutroni pulsati presso l'ISIS nel Regno Unito e l'HUNS in Giappone. Un programma di analisi dello spettro di trasmissione (RITS) di tipo Rietveld è stato impiegato per perfezionare i parametri di temperatura e spostamento atomico dall'analisi della sezione trasversale di scattering anelastico. Infine, abbiamo dimostrato la termografia interna di un campione di α-Fe di 10 mm di spessore all'interno di una camera a vuoto utilizzando un rilevatore di immagini del tempo di volo dei neutroni sulla sorgente di neutroni pulsati HUNS guidata da un acceleratore compatto.

Si prevede che la termografia neutronica che utilizza l'imaging della trasmissione neutronica dipendente dall'energia sarà un nuovo metodo di telerilevamento in grado di misurare la distribuzione spaziale delle temperature interne su una grande sostanza in modo non invasivo e non distruttivo. Finora, le tecniche di termometria/termografia di assorbimento della risonanza epitermica dei neutroni che utilizzano l'effetto Doppler nucleare sono state sviluppate come il primo tipo di termometria neutronica che utilizza l'imaging neutronico risolta in energia1,2,3,4,5,6,7. Questo metodo presenta alcune sfide in quanto la spettroscopia di assorbimento epitermico di neutroni risolta in energia ha statistiche basse in termini di conteggi di neutroni perché il metodo del tempo di volo (TOF) richiede larghezze di canale TOF fini nell'ordine dei nanosecondi. L'efficienza di rilevamento dei neutroni epitermici è inferiore a quella dei neutroni lenti a causa della legge 1/v dell'assorbimento dei neutroni. Le misurazioni della temperatura tramite analisi di risonanza sono impossibili per alcuni nuclidi che non mostrano risonanze neutrone-nucleo separabili. D'altro canto, per la termometria neutronica può essere presa in considerazione anche la trasmissione di neutroni di tipo Bragg-edge mediante analisi TOF termica o fredda8,9,10,11. Questo metodo utilizza l'espansione termica del reticolo cristallino e analizza gli spostamenti della lunghezza d'onda del bordo di Bragg che riflettono i parametri del reticolo. Tuttavia, la valutazione dello spostamento del bordo di Bragg richiede un'elevata risoluzione della lunghezza d'onda dei neutroni migliore dell'1% e l'analisi TOF per un intervallo considerevole di decine di microsecondi. Inoltre, l'efficienza dell'imaging sperimentale è bassa e il metodo è limitato a materiali cristallini con bordi di Bragg in uno spettro di trasmissione di neutroni.

Abbiamo sviluppato una nuova termografia neutronica utilizzando l'analisi TOF dei neutroni freddi come terzo tipo di termometria neutronica utilizzando l'imaging della trasmissione neutronica dipendente dall'energia. Questa nuova termografia neutronica si basa sull'analisi dello scattering anelastico di neutroni freddi12 che hanno energie inferiori, cioè lunghezze d'onda maggiori, rispetto ai neutroni catturati per risonanza e diffratti da Bragg. Per i neutroni freddi, l'efficienza di rilevamento è migliorata e un'analisi del profilo di neutroni dispersi anelasticamente non richiede un'elevata risoluzione della lunghezza d'onda e un'analisi TOF fine, le ultime delle quali sono requisiti necessari per l'analisi del profilo degli spigoli di Bragg e dei picchi di assorbimento della risonanza. Per questi motivi, questa nuova termografia neutronica può essere eseguita in strutture neutroniche a intensità relativamente bassa come sorgenti di neutroni pulsate guidate da acceleratori compatti13,14 e strutture neutroniche a risoluzione energetica relativamente bassa come strumenti di imaging neutronico selettivi in ​​​​energia che non utilizzano il metodo TOF15 ,16,17. Uno dei vantaggi di questa nuova termometria è che, in linea di principio, può essere applicata a una vasta gamma di materiali e in assenza di picchi di assorbimento della risonanza neutronica.