Второй премией ОИЯИ за 2019 г. в номинации «Научно-технические прикладные работы» был награжден коллектив авторов в составе Д. П. Козленко, С. Е. Кичанов, А. В. Белушкин, Е. В. Лукин, К. Назаров, А. В. Руткаускас, Г. Д. Бокучава, Б. Н. Савенко, И. А. Сапрыкина за работу «Нейтронная радиография и томография на импульсном высокопоточном реакторе ИБР-2: создание экспериментальной установки и результаты междисциплинарных прикладных исследований».

Методы нейтронной радиографии и томографии, позволяющие получать изображения и объемные трехмерные реконструкции внутреннего строения объектов исследования с пространственным разрешением порядка 100 мкм, в настоящее время получили широкое развитие на современных источниках нейтронов. Значительная глубина проникновения нейтронов дает ряд преимуществ данным нейтронным методам по сравнению с рентгеновскими аналогами и позволяет их использовать для решения широкого круга междисциплинарных научных задач, от исследования структурных особенностей различных функциональных материалов, микроструктуры строительных и конструкционных материалов и их изменения при протекающих в них процессах, до изучения внутреннего строения уникальных объектов культурного и природного наследия, объектов внеземного происхождения.

Не так давно в Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка 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 улучшению ее технических параметров. Появление установки нейтронной радиографии и томографии (рис. 1) позволило развить новое прикладное направление исследований, связанное с неразрушающим анализом внутреннего строения широкого круга 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].

Рис. 1. Вверху: Схема установки нейтронной радиографии и томографии на 14-ом канале высокопоточного импульсного реактора ИБР-2. Длина коллиматорной системы (1) – 11 м, а линейные размеры нейтронного пучка на выходе системы — 20×20 см. Система гониометров (2) служит для проведения томографических экспериментов. Регистрация нейтронов осуществляется специально разработанной детекторной системой на основе CCD камеры высокого разрешения (3). Внизу: Принципиальная схема эксперимента по нейтронной радиографии. После прохождения нейтронов через исследуемый образец с помощью сцинтиллятора формируется нейтронное радиографическое изображение объекта, которое регистрируется CCD видеокамерой.

Проведенные экспериментальные исследования позволили восстановить внутреннюю структуру окаменелой шишки Protosequoia sp. (рис. 2), 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.

Рис. 2. Фотография и восстановленная из данных нейтронной томографии трехмерная модель внутренней структуры окаменелой шишки Protosequoia sp. На трехмерной модели исследуемого объекта отчетливо наблюдаются остатки поврежденного стебля шишки и ее система лепестков.

Методом нейтронной томографии были получены 3D модели внутреннего строения метеоритов Сеймчан (рис. 3) [6] и Марьялахти [1]. Особенности взаимодействия нейтронов с веществом позволили обнаружить и разделить минеральные и металлические компоненты, 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].

Рис. 3. Восстановленная из данных нейтронной томографии трехмерная модель метеорита Сеймчан. Красные участки соответствуют металлическому железо-никелевому сплаву, а желтые — оливиновой минеральной компоненте. Для получения количественных характеристик металлической компоненты при анализе трехмерных данных использовалась скелетная дендрит — подобная структура (вверху справа). Такая структура отражает распределение металлического сплава в объеме метеорита и позволяет построить распределения как по длине, так и по толщине металлической компоненты в конкретном месте метеорита. В нижней правой части рисунка представлен срез трехмерной модели одного зерна оливина в метеорите Сеймчан. Особенности формирования нейтронного радиографического контраста позволяют наблюдать распределение железосодержащих минералов внутри объема каждого зерна оливина.

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.

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 (рис. 4) [8], объектов древнерусского культурного наследия [9, 10], и в частности, Тверского клада, найденного в 2014 г и датированного XIII веком – периодом нашествия Батыя (рис. 5, 6) [11]. Высокий радиографический контраст между серебром и медью позволил успешно изучить как пространственное распределение этих элементов, так и оценить химический состав древних монет: от Боспорских статеров [7] до древнебулгарских пулов [8].

Рис. 4. Фотография монеты древней Волжской Булгарии — мультидирхема саманидов времен хана Аль-Амира ас-Саида Абу Салиха Мансура I бин Нуха, датируемого первой половиной X века (вверху слева). Трехмерная модель исследуемого мультидирхема, восстановленная из данных нейтронной томографии, с выделенной областью с повышенным содержанием серебра. Представлены продольные виртуальные срезы восстановленной трехмерной модели исследуемого мультидирхема, соответствующие различным участкам монеты. Красные участки соответствуют областям монеты с высоким содержанием серебра.

Рис. 5. Фотография (слева) и восстановленная из данных нейтронной томографии трехмерная модель древнерусского украшения из Тверского клада – лучевого колта. Из данных нейтронной томографии восстановлены как поверхностные элементы декора, так и внутренние компоненты крепежа.

Рис. 6. Фотография (слева) и восстановленная из данных нейтронной томографии трехмерная модель широкого двустворчатого браслета из Тверского клада. Метод нейтронной томографии позволил восстановить элементы внутреннего декора этих объектов культурного наследия.

Высокая проникающая способность нейтронов позволила реконструировать 3D внутреннее строение древнерусских [9, 11] и средневековых европейских украшений [10], выявить их скрытые 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.

Также стоит отметить, 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 с участием сотрудников ЛНФ ОИЯИ создана и введена в эксплуатацию специализированная установка на реакторе ВВР-К (РГП ИЯФ, Алматы) и получены первые экспериментальные результаты.

Литература

[1]. D. 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).

[2]. D. 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)

[3]. A. 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)

[4]. E. 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)

[5]. L. 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)

[6]. S. 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)

[7]. M. 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)

[8]. S. 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)

[9]. 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)

[10]. S. 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)

[11]. 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.