Uma nova termografia usando análise de espalhamento inelástico de comprimento de onda

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 688 (2023) Citar este artigo

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A termografia usando imagens de transmissão de nêutrons dependentes de energia pode visualizar de forma não invasiva e não destrutiva uma distribuição no espaço real das temperaturas internas de um material em um recipiente. Anteriormente, a análise de ampliação de absorção de ressonância e a análise de deslocamento de borda de Bragg usando transmissão de nêutrons resolvida por energia foram desenvolvidas, no entanto, alguns problemas permanecem, por exemplo, eficiência de imagem, limitação de substância e sensibilidade à temperatura. Por esta razão, propomos uma nova termografia de nêutrons usando a dependência da temperatura do espalhamento inelástico de nêutrons frios. Este método tem algumas vantagens, por exemplo, a eficiência da imagem é alta porque os nêutrons frios são medidos com resolução de comprimento de onda moderada e os elementos leves podem ser analisados ​​em princípio. Investigamos a viabilidade desta nova termografia de nêutrons em instrumentos de imagem de tempo de vôo de nêutrons pulsados ​​no ISIS no Reino Unido e no HUNS no Japão. Um programa de análise de espectro de transmissão do tipo Rietveld (RITS) foi empregado para refinar os parâmetros de temperatura e deslocamento atômico da análise de seção transversal de espalhamento inelástico. Finalmente, demonstramos a termografia interior de uma amostra de α-Fe de 10 mm de espessura dentro de uma câmara de vácuo usando um detector de imagem de tempo de vôo de nêutrons na fonte compacta de nêutrons pulsados ​​por acelerador HUNS.

Espera-se que a termografia de nêutrons usando imagens de transmissão de nêutrons dependentes de energia seja um novo método de sensoriamento remoto que pode medir uma distribuição espacial de temperaturas interiores sobre uma grande substância de forma não invasiva e não destrutiva. Até agora, as técnicas de termometria/termografia de absorção de ressonância de nêutrons epitérmicas usando o efeito Doppler nuclear foram desenvolvidas como o primeiro tipo de termometria de nêutrons usando imagens de nêutrons resolvidas em energia1,2,3,4,5,6,7. Este método tem alguns desafios na medida em que a espectroscopia de absorção de nêutrons epitérmicos resolvida em energia é de baixa estatística em termos de contagens de nêutrons porque o método de tempo de voo (TOF) requer larguras de canal TOF finas na faixa de nanossegundos. A eficiência de detecção para nêutrons epitermais é menor do que para nêutrons lentos devido à lei 1/v da absorção de nêutrons. Medições de temperatura via análise de ressonância são impossíveis para alguns nuclídeos que não mostram ressonâncias de nêutron-núcleo separáveis. Por outro lado, a transmissão de nêutrons de borda de Bragg usando análise TOF de nêutrons térmicos ou frios também pode ser considerada para termometria de nêutrons8,9,10,11. Este método usa a expansão térmica da rede cristalina e analisa as mudanças de comprimento de onda da borda de Bragg que refletem os parâmetros da rede. No entanto, a avaliação do deslocamento de borda de Bragg requer alta resolução de comprimento de onda de nêutrons melhor que 1% e análise TOF para uma faixa considerável de dezenas de microssegundos. Além disso, a eficiência da imagem experimental é baixa e o método é limitado a materiais cristalinos com arestas de Bragg em um espectro de transmissão de nêutrons.

Desenvolvemos uma nova termografia de nêutrons usando análise TOF de nêutrons frios como o terceiro tipo de termometria de nêutrons usando imagens de transmissão de nêutrons dependentes de energia. Esta nova termografia de nêutrons é baseada na análise de espalhamento inelástico de nêutrons frios12 que têm energias mais baixas, ou seja, comprimentos de onda mais longos, do que os nêutrons capturados por ressonância e difratados por Bragg. Para nêutrons frios, a eficiência de detecção é aumentada, e uma análise de perfil de nêutrons dispersos inelasticamente não requer alta resolução de comprimento de onda e análise de TOF fino, os quais são requisitos necessários para a análise de perfil de arestas de Bragg e picos de absorção de ressonância. Por essas razões, esta nova termografia de nêutrons pode ser realizada em instalações de nêutrons de intensidade relativamente baixa, como fontes compactas de nêutrons pulsadas acionadas por aceleradores13,14 e instalações de nêutrons de resolução de energia relativamente baixa, como instrumentos de imagem de nêutrons seletivos de energia que não usam o método TOF15 ,16,17. Uma das vantagens desta nova termometria é que ela pode ser aplicada a uma variedade de materiais e na ausência de picos de absorção de ressonância de nêutrons, em princípio.