Chụp ảnh neutron là kỹ thuật không xâm lấn để kiểm tra các cấu trúc bên trong vật thể. Kỹ thuật này được thực hiện bằng cách sử dụng lò phản ứng nghiên cứu hoặc nguồn neutron dựa trên máy gia tốc. Đây là một công cụ có khả năng vô tận đối với nghiên cứu và phát triển khoa học và công nghiệp, cũng như pháp y và khảo cổ. Hơn thế nữa, chụp ảnh neutron có thể được sử dụng để kiểm tra động cơ, bộ giảm xóc và cánh tuabin của các cơ cấu siêu trường siêu trọng. Hình ảnh từ kỹ thuật chụp neutron có thể cho thấy nước di chuyển như thế nào trong thực vật sống hoặc kiểm tra bên trong hộp sọ khủng long hóa thạch.
Chụp ảnh neutron là phương pháp không xâm lấn để kiểm tra cấu trúc bên trong và thành phần của các vật thể. Nó dựa trên các nguyên tắc tương tự như nguyên tắc chụp ảnh tia X. Tuy nhiên, trái ngược với tia X, được hấp thụ bởi các vật liệu dày đặc như kim loại, chùm neutron xuyên qua hầu hết các kim loại và đá và chúng bị suy giảm bởi một số nguyên tố nhẹ, như boron, carbon, hydro và lithium. Neutron cũng có thể giúp hình dung từ trường, cũng như sức căng trong vật liệu công nghệ và cấu trúc.
Chụp ảnh neutron được sử dụng từ những năm 1950 với dạng hình ảnh hai chiều (2D), dựa trên phim và là định dạng chính cho đến những năm 1990. Với sự ra đời của công nghệ kỹ thuật số, bao gồm cả máy ảnh kỹ thuật số tinh vi, hình ảnh neutron hiện sử dụng thông qua phương pháp chụp cắt lớp vi tính (CT) với hàng trăm hình ảnh được chụp từ các góc khác nhau để tạo ra ảnh ba chiều (3D) có độ chi tiết cao. Cho đến đầu những năm 2020, chụp ảnh neutron bằng CT hay chụp ảnh 3D vẫn chưa thực sự khả thi đối với các nguồn neutron thông lượng thấp, như các lò phản ứng nghiên cứu công suất thấp, vì cả lý do kỹ thuật và tài chính.
Hệ thống chụp ảnh neutron tại Đại học Kỹ thuật Séc ở Praha (CTU) đã cho thấy Trục mundi (biểu tượng của sự kết nối giữa thế giới vật chất và tâm linh) bên trong bức tượng Chamma Bon của Tây Tạng. (Ảnh: L. Sklenka/CTU)
Tuy nhiên, kỹ thuật chụp neutron đã thay đổi vào năm 2021, khi Jana Matoušková, nghiên cứu sinh tại Đại học Kỹ thuật Séc ở Praha (CTU) và giáo sư của cô, Lubomír Sklenka, chứng minh khả năng thực hiện chụp ảnh neutron bằng CT ở lò phản ứng nghiên cứu công suất 500 W. Bước đột phá này theo sau hai bước phát triển. Đầu tiên là máy ảnh thiên văn chất lượng cao, chi phí thấp xuất hiện trong thập kỷ trước. Thứ hai, các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu neutron Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) của Đại học Kỹ thuật Munich (Đức) đã nhận ra tiềm năng của loại máy ảnh mới này và vào năm 2016, họ trình làng cơ sở nhỏ đầu tiên để chụp cắt lớp neutron, bao gồm cả máy ảnh chụp cắt lớp neutron là lò phản ứng công suất thấp. Được dẫn dắt bởi Burkhard Schillinger, nhóm đã phát triển và xây dựng một hệ thống chụp ảnh neutron chất lượng cao, chi phí thấp với đầu dò in 3D và phiên bản thu nhỏ của phần mềm điều khiển chuyên nghiệp được sử dụng tại Hệ thống thí nghiệm chụp ảnh phóng xạ và chụp cắt lớp neutron nâng cao (ANTARES) của Lò phản ứng nghiên cứu FRM II. Chất lượng hình ảnh của các đầu dò mới phù hợp với chất lượng hình ảnh của hệ thống tiên tiến thường được sử dụng tại cơ sở ANTARES.
Matoušková muốn thử nghiệm hình ảnh neutron với các nguồn neutron công suất thấp, chẳng hạn như lò phản ứng 500 W VR-1 của CTU – để so sánh, lò phản ứng FRM II 20 MW có công suất gấp 40.000 lần tạo ra số neutron nhiều hơn 40.000 lần so với CTU lò phản ứng. Điều này là thách thức do không thể tiếp cận cơ sở vật chất của CTU để thực hiện các thí nghiệm vì các hạn chế về COVID-19. Sklenka đã xin hỗ trợ từ Schillinger về việc tái tạo hệ thống chi phí thấp mà FRM II đã phát triển và Schillinger đã tư vấn cho Matoušková và cung cấp thông tin về thiết kế của hệ thống. Từng bước, Matoušková xây dựng hệ thống chụp ảnh neutron và thử nghiệm bằng ánh sáng khả kiến.
Ảnh chụp bằng kỹ thuật X-quang và bằng Neutron
Sau khi các hạn chế về COVID-19 được dỡ bỏ, Matoušková đã lắp đặt hệ thống này tại lò phản ứng CTU và tạo thành công hình ảnh neutron 2D kỹ thuật số đầu tiên của CTU, sau đó là chụp CT neutron với thời gian phơi sáng 12 giờ ở công suất 500 W. Kết quả có thể được thu được trong vòng một ngày và với lượng điện năng ít hơn đáng kể – công suất của các lò phản ứng nghiên cứu sử dụng kỹ thuật này dao động từ hàng trăm kW đến hàng chục MW. Hệ thống này chủ yếu được sử dụng cho mục đích giáo dục nhưng cũng được sử dụng để thực hiện nghiên cứu, chẳng hạn như kiểm tra các hiện vật văn hóa với sự cộng tác của Phòng trưng bày Quốc gia ở Praha.
Kinh nghiệm của FRM II và CTU đã chứng minh rằng mọi cơ sở hạt nhân nhỏ đều có thể sử dụng nguồn neutron kể cả các lò phản ứng nghiên cứu công suất cực thấp. Các nhà nghiên cứu cũng sẵn sàng cung cấp miễn phí các thiết kế và phần mềm cũng như hỗ trợ cài đặt và thiết lập trên phạm vi quốc tế. Với các bộ phận được tạo ra bởi máy in 3D, phần mềm được thu nhỏ để phù hợp với máy tính xách tay hay máy chụp ảnh giá thấp, toàn bộ gói có thể được lắp ráp với giá dưới 5000euro và có thể vận chuyển dễ dàng. Năm 2022, các nhà nghiên cứu đã lắp đặt hệ thống hình ảnh neutron kỹ thuật số tại lò phản ứng nghiên cứu RECH-1 của Ủy ban Năng lượng Hạt nhân Chile.
Từ khóa: Neutron; bức xạ; chụp ảnh; NDT;
– CMD&DND –
