Трансфер знаний и опыта ОИЯИ странам-участницам

С. Е. Кичанов, Е. В. Лукин, Д. П. Козленко, В. Н. Швецов, С. А. Куликов, Б. А. Абдурахимов, М. Ю. Ташметов, Б. С. Юлдашев, Н. В. Исматов, А. Р. Саидов, А. Нормуродов

Развитие приборной базы реконструированных исследовательских ядерных реакторов является устойчивой тенденцией последних лет в ряде стран. Технические параметры таких реакторов достаточны для реализации экспериментальных возможностей по исследованию методами рассеяния нейтронов в различных междисциплинарных научных областях, включая физику конденсированного состояния, материаловедение, неразрушающую структурную диагностику, археологию, палеонтологию и др. [1, 2].

Одним из относительно простых и эффективных методов рассеяния нейтронов является нейтронный имиджинг (нейтронная радиография и томография). За последние годы в ЛНФ ОИЯИ накоплен достаточно большой опыт как в области применения этих методов в междисциплинарных исследованиях, так и в области разработки и создания соответствующих экспериментальных установок [3]. Этот опыт стал предметом особого интереса со стороны государств-участников ОИЯИ, имеющих собственные недавно реконструированные исследовательские реакторы, требующие развития исследовательской инфраструктуры. Хорошим примером является станция нейтронной радиографии и томографии, созданная и запущенная в эксплуатацию на исследовательском реакторе ВВР-К в Институте ядерной физики (Алматы, Республика Казахстан) совместно сотрудниками Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ и ИЯФ [4].

Дирекция Института ядерной физики Академии наук Республики Узбекистан (ИЯФ АН РУз) выразила заинтересованность в сотрудничестве с ЛНФ ОИЯИ по разработке и созданию установки нейтронного имиджинга на реакторе ВВР-СМ. Исследовательский реактор ВВР-СМ с водным охлаждением расположен в поселке Улугбек в 30 километрах от Ташкента. Он возобновил работу в 2017 г., и теперь этот реактор используется для исследований в широком спектре научных направлений, таких как ядерная физика, нейтронно-активационный анализ, облучение минералов, а также производство радиоизотопов для медицины. Учитывая растущую тенденцию запросов научного сообщества в междисциплинарных прикладных исследованиях [2, 3] в области техники и растениеводства, геофизики, астрофизики, археологии и палеонтологии, было принято решение о создании новой экспериментальной установки нейтронного имиджинга на базе реактора ВВР-СМ. Проектирование новой установки, заказ и производство необходимого оборудования, монтаж основных узлов экспериментальной станции были выполнены совместной рабочей группой ЛНФ ОИЯИ – ИЯФ в довольно короткие сроки. Установка нейтронного имиджинга, созданная на 5-м канале реактора ВВР-СМ (рис. 1), была введена в эксплуатацию в 2020 г.

Рис. 1. Схема установки нейтронного имиджинга на 5-м канале реактора ВВР-СМ [5]. Показаны коллимационная система в вакуумированной трубе (1), бетонная биологическая защита (2), детекторная система и положение гониометра (3). На фотографиях детекторной системы представлены поворотный гониометр (4), позиция сцинтилляционного экрана (5) и светонепроницаемый бор-полиэтиленовый кожух с CCD-камерой и объективом (6)

Пучок нейтронов формируется с помощью композитной коллимационной системы, состоящей из нескольких чередующихся слоев: парафиновой части длиной 300 мм, бор- полиэтилена толщиной 100 мм, миллиметровой кадмиевой фольги и свинцового слоя толщиной 100 мм. Такой коллиматор обеспечивает защиту как от гамма-излучения, так и от быстрых нейтронов, присутствующих в спектре нейтронов. Параметр соотношения L/D, характеризующий расходимость пучка нейтронов, равен 600. В детекторной системе используется сцинтилляционный экран ⁶LiF/Zn(Cd)S:Ag производства RC TRITEC Ltd (Швейцария). Толщина сцинтиллятора составляет 0,2 мм. Свет от сцинтиллятора отражается от двух зеркал и фокусируется на CCD-сенсоре камеры ProLine PL-09000 производства Finger Lakes Instrumentation (Нью-Йорк, США). Пространственное разрешение станции нейтронного имиджинга составляет 280 мкм.

В качестве примера первых экспериментальных результатов, полученных на новой установке, представлено нейтронное изображение навесного замка в металлическом корпусе (рис. 2). Внутренний механизм замка и его стальные элементы хорошо различимы на нейтронном радиографическом изображении. Наблюдается хороший радиографический контраст между различными частями исследуемого замка. На этом рисунке также представлено нейтронное радиографическое изображение системы корней ростка кукурузы. Нейтроны легко проникают через пластиковый контейнер и почву и визуализируют структуру органического вещества.

Рис. 2. Фотография и нейтронное изображение металлического замка. Фотография ростка кукурузы и нейтронное изображение корней исследуемого растения в пластиковом контейнере

Исторически Узбекистан являлся важным торгово-промышленным регионом на Великом шелковом пути [6], а его культурное наследие, формировавшееся в течение нескольких тысячелетий, обусловлено сочетанием множества этнических культур. Неразрушающий характер методов нейтронной радиографии и томографии имеет хорошие перспективы для изучения структурной организации уникальных археологических объектов культурного наследия региона. Подобные исследования будут являться одним из ключевых направлений планируемых экспериментальных работ на созданной установке [2, 7]. Первым изученным археологическим объектом стала бронзовая курильница в форме оленя (рис. 3), датируемая III-IV в. нашей эры и найденная на археологических раскопках в районе поселения Дальварзинтепа Сурхандарьинской области Республики Узбекистан. Нейтронные эксперименты выявили скрытые внутренние полости в объеме металлического корпуса курильницы.

Рис. 3. Фотография бронзовой курильницы в форме оленя. Показана масштабная шкала. Представлены восстановленная из данных нейтронной томографии трехмерная модель курильницы и несколько виртуальных срезов этой модели. Цветовая схема соответствует коэффициентам затухания нейтронного пучка от низкого (зеленый) до высокого (красный) уровня

Представленные первые экспериментальные результаты указывают на значительный потенциал для использования методов нейтронного имиджинга в различных междисциплинарных областях исследований, включая инженерные науки и материаловедение, археологию, растениеводство и др. Совместное создание новой установки позволило вывести сотрудничество между участвующими научными организациями на новый качественный уровень. На основе опыта ЛНФ ОИЯИ дальнейшая деятельность совместной группы будет направлена на улучшение технических параметров построенной установки нейтронного имиджинга и реализацию обширной научной программы с помощью методов нейтронной радиографии и томографии.

Список литературы

1. Lehmann E. H., Peetermans S., Betz B. Instrumentation in Neutron Imaging — A world-wide overview // Neutron News. 2015. V. 26. P. 6‒10.
2. Podurets K. M., Kichanov S. E., Glazkov V. P., Kovalenko E. S., Murashev M. M., Kozlenko D. P., Lukin E. V., Yatsishina E. B. Modern Methods of Neutron Radiography and Tomography in Studies of the Internal Structure of Objects // Crystallography Reports. 2021. V. 66, No. 2. P. 254‒266.
3. Kozlenko D. P., Kichanov S. E., Lukin E. V., Rutkauskas A. V., Belushkin A. V., Bokuchava G. D., Savenko B. N. Neutron Radiography and Tomography Facility at IBR-2 Reactor // Phys. Part. Nuclei Lett. 2016. V. 13. P. 346.
4. Nazarov K. M., Muhametuly B., Kenzhin E. A., Kichanov S. E., Kozlenko D. P., Lukin E. V., Shaimerdenov A. A. New Neutron Radiography and Tomography Facility TITAN at the WWR-K Reactor // Nuc. Inst. and Meth. in Phy. Res. Sec. A. 2020. P. 164572.
5. Abdurakhimov B. A., Tashmetov M. Yu., Yuldashev B. S., Kichanov S. E., Lukin E.V., Kozlenko D. P., Kulikov S. A., Shvetsov V. N., Ismatov N. B., Saidov A. R., Normurodov A. B., A. V. Rutkauskas. New Neutron Imaging Facility at the WWR-SM Reactor: Design and First Results // Nuc. Inst. and Meth. in Phy. Res. Sec. A. 2020. P. 164959.
6. Kilic-Schubel N. Timurid Empire // The Encyclopedia of Empire. 2016. P. 1‒11.
7. Kichanov S. E., Saprykina I. A., Kozlenko D. P., Nazarov K., Lukin E. V., Rutkauskas A.V., Savenko B. N. Studies of Ancient Russian Cultural Objects Using the Neutron Tomography Method // J. Imaging. 2018. V. 4, No. 2. P. 25.