Повестка: Обсуждение работы, выдвинутой на конкурс ОИЯИ 2019 года по разделу «Научно-технические прикладные работы»:
«Нейтронная радиография и томография на импульсном высокопоточном реакторе ИБР-2: создание экспериментальной установки и результаты междисциплинарных прикладных исследований»

Козленко Денис Петрович¹ , Кичанов Сергей Евгеньевич¹, Белушкин Александр Владиславович¹ , Лукин Евгений Валерьевич¹ , Назаров Куаныш¹ , Руткаускас Антон Владимирович¹ , Бокучава Гизо Дазмирович¹ , Савенко Борис Николаевич¹, Сапрыкина Ирина Анатольевна²

¹ - Лаборатория Нейтронной Физики им. И.М. Франка, ОИЯИ, г. Дубна

² - Институт археологии РАН, г. Москва, Россия

Аннотация к циклу работ:

Появление цифровых систем регистрации ионизирующих излучений на базе CCD камер высокого разрешения дало мощный импульс к развитию методов нейтронной радиографии и томографии и созданию экспериментальных установок для их реализации на базе современных нейтронных источников. Данные методы неразрушающего анализа позволяют получать нейтронные изображения и объемные трехмерные реконструкции внутреннего строения объектов исследования с пространственным разрешением до 100 мкм и лучше. Значительная глубина проникновения нейтронов позволяет получать методами нейтронной радиографии и томографии принципиально новую информацию по сравнению с рентгеновскими методами. В частности, их используют для решения широкого круга междисциплинарных научных задач, особенно в области археологии и палеонтологии, что диктуется уникальностью изучаемых объектов, зачастую существующих в единственном экземпляре и представляющих большую ценность.

В период 2012-2016 гг. в ЛНФ ОИЯИ на 14-ом канале высокопоточного импульсного реактора ИБР-2 была создана специализированная установка для исследований с помощью нейтронной радиографии и томографии и проведены работы по развитию ее технических параметров. В представленных на конкурс работах [1-4] подробно описываются возможности этой установки, конструкция и ее основные параметры, детальное описание основных узлов. Следует отметить, что импульсный характер работы реактора ИБР-2 открывает широкие перспективы для реализации энергодисперсионной нейтронной радиографии [4], при которой выбор оптимального диапазона энергий падающих нейтронов позволяет усиливать контраст деталей объекта в эксперименте.

Создание установки нейтронной радиографии и томографии позволило развить в ЛНФ новое прикладное направление исследований, связанное с неразрушающим анализом внутреннего строения объемных объектов, изделий и материалов, среди которых – палеонтологические объекты природного наследия [1], инженерные изделия [1, 2, 5], объекты внеземного происхождения - метеориты [1, 6], археологические объекты культурного наследия [7-11].

Эксперименты с помощью метода нейтронной радиографии и томографии позволили восстановить внутреннюю структуру окаменелой шишки Protosequoia sp., датируемой поздним Меловым периодом (начавшимся 100 млн. лет назад), получить трехмерную модель ее стебля и листьев [1]. Также, получено объемное распределение колонии Cyanobacteria внутри окаменелого строматолита [1]. Колонии этих древнейших бактерий характеризуют эволюцию живых организмов на Земле около 3.5 миллиардов лет назад. Полученная информация имеет важное значение для построения моделей эволюции указанных видов.

Примером исследования в области инженерных наук может послужить изучение кинетики плавления смеси льда и гранулированного кварца [5], позволившее установить зависимость температуры плавления смеси от размеров кварцевых гранул. Полученная информация представляет большой интерес для совершенствования технологий уборки снежных покровов в холодных регионах.

 Методом нейтронной томографии были получены 3D модели внутреннего строения метеоритов Сеймчан [6] и Марьялахти [1]. Особенности взаимодействия нейтронов с веществом позволили обнаружить и разделить внутренние минеральные компоненты этих метеоритов, получить трехмерное пространственное распределение никеля в металлической компоненте этих метеоритов-палласитов [1, 6], построить распределения по занимаемым объемам и средним размерам внутренних составных минералов, определить их морфологические особенности [6].

Необходимо особо отметить большой научный задел по неразрушающим исследованиям объектов культурного наследия с помощью нейтронной радиографии и томографии [7-11]: уникальные исследования внутренней организации и фазового состава монет Древней Греции [7] и Булгарии [8], объектов древнерусского культурного наследия [9, 10], и в частности, Тверского клада, найденного в 2014 г и датированного XIII веком – периодом нашествия Батыя [11]. Высокий радиографический контраст между серебром и медью позволил успешно исследовать как пространственное распределение этих элементов, так и оценить химический состав древних монет: от Боспорских статеров [7] до древнебулгарских пулов [8]. Высокая проникающая способность нейтронов позволила реконструировать 3D внутреннее строение древнерусских [9, 11]  и средневековых европейских украшений [10], выявить их срытые элементы декора, уточнить историко-культурное происхождение этих археологических находок. Полученная информация важна для реставрации данных объектов культурного наследия, а также изучения древних технологий приготовления монет, украшений, предметов быта.

В заключение отметим, что новые экспериментальные возможности нейтронной радиографии и томографии и полученные результаты вызвали широкий интерес в странах-участницах ОИЯИ. В результате для проведения подобных исследований в Казахстане создана специализированная установка на реакторе ВВР-К (РГП ИЯФ, Алматы) и получены первые экспериментальные результаты.

Публикации цикла работ:

• P. Kozlenko, S.E. Kichanov, E.V. Lukin, A.V. Rutkauskas, G.D. Bokuchava, B.N. Savenko, A.V. Pakhnevich, A.Yu. Rozanov “Neutron Radiography Facility at IBR-2 High Flux Pulsed Reactor: First Results” Physics Procedia, 69, 87-91 (2015).
• P. Kozlenko, S.E. Kichanov, E.V. Lukin, A.V. Rutkauskas, A.V. Belushkin, G.D. Bokuchava, B.N. Savenko “Neutron radiography and tomography facility at IBR-2 reactor”, Physics of Particles and Nuclei Letters, 13, 3, 346-351 (2016)
• V. Rutkauskas, D. P. Kozlenko, S. E. Kichanov, G. D. Bokuchava, E. V. Lukin, B. N. Savenko “Investigation of the Neutron Transmission Spectra of Materials Promising for the Manufacturing of Crystalline and Polycrystalline Filters” Journal of Surface Investigation X-ray Synchrotron and Neutron Techniques, 9(2):317-319 (2015)
• V. Lukin, D.P. Kozlenko, S.E. Kichanov, A.V. Rutkauskas, G.D. Bokuchava, B.N. Savenko “First attempts on energy-selective neutron imaging at IBR-2”, Physics Procedia, 69, 271-274 (2015)
• Kalvoda, S.E.Kichanov, M. Kučeráková, E.V. Lukin, S.Vratislav “Ice Melting Kinetics in Sand–Water Mixtures Investigated by Neutron Radiography and Diffraction”, Journal of Cold Regions Engineering, 33, 3, 04019003 (2019)
• E. Kichanov, D. P. Kozlenko, E. V. Lukin, A. V. Rutkauskas, E. A. Krasavin, A. Y. Rozanov, B. N. Savenko “A neutron tomography study of the Seymchan pallasite”, Meteoritics & Planetary Science, 53, 10, 2155-2164 (2018)
• G. Abramson, I.A. Saprykina, S.E. Kichanov, D.P. Kozlenko, K.M. Nazarov “A Study of the Chemical Composition of the 3rd Century AD Bosporan Billon Staters by XRF-Analysis, Neutron Tomography and Diffraction”, Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 12, 1, 114-117 (2018)
• E. Kichanov, K.M. Nazarov, D.P. Kozlenko, I.A. Saprykina, E.V. Lukin, B.N. Savenko, “Analysis of the internal structure of ancient copper coins by neutron tomography”, Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 11, 3, 585-589 (2017)
• Сапрыкина И.А., Кичанов С.Е., Козленко Д.П. «Возможности, ограничения и перспективы нейтронной томографии и радиографии в сфере сохранения объектов археологического наследия», Кристаллография, 64, 1, 152-155 (2019)
• E. Kichanov, I.A. Saprykina, D.P. Kozlenko, K. Nazarov, E.V. Lukin, A.V. Rutkauskas, B.N. Savenko, Studies of Ancient Russian Cultural Objects Using the Neutron Tomography Method, J. Imaging, 4(2), 25 (2018)
• Сапрыкина И. А., Кичанов С. Е., Козленко Д. П., Лукин Е.В. “Возможности нейтронной томографии в археологии на примере исследования древнерусских украшений из тверского клада 2014 г.”, Российская археология, №3 (2018) 36-42