Project

Back to overview

Optimization of a compact fast-neutron generator for imaging purposes

Applicant Prasser Horst-Michael
Number 162411
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Nukleare Energie und Sicherheit Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Technical Physics
Start/End 01.02.2016 - 31.01.2020
Approved amount 433'230.85
Show all

Keywords (5)

in-field use; compact neutron source; fast neutron generator; fast neutron imaging; industrial tomography

Lay Summary (German)

Lead
Zerstörungsfreie Prüfung ist eine Technik zunehmender Bedeutung sowohl in wissenschaftlicher als in der praktischen, industriellen Umfeld. Es wird zur Untersuchung von Prozessen, die unter harten Bedingungen wie Hochdruck und Hochtemperatur ablaufen, verwendet oder wenn intrusive Messtechniken den beobachtenden Prozess erheblich beeinflussen würden. Inspektion von gefährlichen Objekten ist ein weiteres Beispiel wo berührungslose Methoden vorteilhaft sind. Unter den Bildgebungsverfahren ist die Verwendung von Röntgentomographie gut etabliert. Neutronenimaging, zwar komplementär zu Röntgentomographie, ist ein eher exotischer Ansatz. Seine Anwendung ist noch aufs Forschungsumfeld beschränkt und erfordert in der Regel die Nutzung kostspieliger Großanlagen. Bildgebung mit schnellen Neutronen bietet jedoch das Potenzial kompakte und mobile Systeme hervorzubringen, die für die in-situ Prüfung von Objekten verwendet werden könnten, die sonst für komplementäre Modalitäten unmöglich wären.
Lay summary

Inhalt und Ziele des Projekts

Wir haben in einem Vorläuferprojekt ein Prototyp eines transportablen Imaging-System, basierend auf einem kompakten Neutronengenerator für schnelle Neutronen und einem dazu maßgeschneiderten Detektorbogen entwickelt. Das System ermöglicht derzeit die tomographische Rekonstruktion des Querschnitts eines Prüflings mit einer Auflösung von etwa 2 mm und die nötigen Scanzeiten betragen mehreren Stunden. Das Hauptziel dieses Projektes ist es, die Neutronenausbeute des Generators zu erhöhen, damit die Belichtungszeit für die Abbildung dermaßen reduziert werden kann, was den praktischen Einsatz des Gerätes auch im z.B. in industriellen Umfeld ermöglicht. Wir streben nicht zeitkritische Anwendungen an, die Scanzeiten von zehn Minuten bis zu einer Stunde erlauben: wie die Inspektion von potentiell gefährlichen Objekte (z.B. Sprengstoffe) und/oder  industrielle Tomographie zur Qualitätssicherung Zwecke. Um die Neutronenausbeute signifikant zu erhöhen, soll die Betriebshochspannung des Generators deutlich erhöht werden was ein optimiertes Hochspannungsdesign benötigt. Der Betrieb bei erhöhter Hochspannung erfordert eine optimierte Kühlung und thermische Auslegung des Hochspannungstargets des Generators, da letztere eine sehr wichtige Rolle bei der effiziente Erzeugung schneller Neutronen spielt. Darüber hinaus werden alternative Targetmaterialien mit besserer intrinsischen Wasserstoffspeicherung und besseren thermischen Eigenschaften untersucht, die möglicherweise sowohl die Anforderungen an die Kühlung verringern und die Neutronenproduktion weiter verbessern könnten.

Signifikanz des Projekts

Das Ergebnis des Projekts konnte zu einem einzigartigen Bildgebungssystem führen, das unsere modernsten technologischen Fähigkeiten im Imaging erweitern und den Weg in Richtung der routinemäßigen Anwendung von Bildgebung mit schnellen Neutronen in vielen Bereichen wie Angewandte Naturwissenschaften, Industrietechnik und zivile Sicherheit, ebnen kann.

Direct link to Lay Summary Last update: 04.01.2016

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Feasibility study of using a compact deuterium-deuterium (D-D) neutron generator for energy-selective transmission tomography
Soubelet B., Adams R., Kromer H., Zboray R., Prasser H.-M. (2019), Feasibility study of using a compact deuterium-deuterium (D-D) neutron generator for energy-selective transmission tomography, in Radiation Physics and Chemistry, 156, 292-299.
Thermal analysis, design, and testing of a rotating beam target for a compact D-D fast neutron generator
Kromer Heiko, Adams Robert, Soubelet Benoit, Zboray Robert, Prasser Horst-Michael (2019), Thermal analysis, design, and testing of a rotating beam target for a compact D-D fast neutron generator, in Applied Radiation and Isotopes, 145, 47-54.
Improvement of a Compact Fast Neutron Generator for Imaging Applications
Kromer H., Adams R., Soubelet B., Zboray R., Prasser H. M. (2018), Improvement of a Compact Fast Neutron Generator for Imaging Applications, in 2018 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC), Sydney, Australia2018 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC), Sydney, Australia.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
ETHZ, Laboratory for Nuclear Energy System Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
- Exchange of personnel
Laboratory of Nuclear Materials, Nuclear Energy and Safety Department, PSI Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
RWTH Aachen, III. Physikalisches Institut B Germany (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
Paul Scherrer Institute Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
- Exchange of personnel

Awards

Title Year
EXCELLENT PAPER AWARD for Robert Adams, Benoit Soubelet, Heiko Kromer, Robert Zboray, Horst-Michael Prasser, Victor Petrov, Annalisa Manera, Paper "Development of Tomography Techniques Using a Compact Fast Neutron Generator", 9th World Congress in Industrial Process Tomography, Bath UK, September 2-6 2018, International Society for Industrial Process Tomography (ISIPT) 2018
Doktorandenpreis des Paul Scherrer Instituts und des Nuklearforums Schweiz, NES PhD Day 2017, Bester Beitrag des 2. Doktoranden-Jahres für Heiko Kromer 2017

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
129870 Efficient detectors for tomography with fast neutrons 01.11.2010 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Neutron imaging is becoming an increasingly popular non-destructive analysis (NDA) tool in research and it is also attracting growing interest from the industry for applications where NDA is offering clear advantages. Neutron imaging exhibits, in case of thermal or cold neutrons, very high sensitivity to specific light elements and considered to be complementary to gamma and X-rays that are sensitive for heavy elements. Fast neutrons (>1MeV) exhibit in general a lower elemental sensitivity; however, have high penetration power compared to the aforementioned radiation forms. This potentially enables the imaging of robust and bulky objects containing very significant amounts of both low-Z and high-Z materials which is challenging or even unfeasible with the other modalities.We have successfully developed in a precursor project a prototype small-sized, potentially portable fast neutron imaging system based on a compact, deuterium-deuterium (DD) neutron generator and a plastic scintillator detector arc. The system has been thoroughly tested in laboratory environment and the results are encouraging. Cross sectional tomographic imaging of specimen containing a combination of low-Z/ high-Z materials with diameters slightly above 10 cm is possible with a spatial resolution of around 2 mm. Exposure times of a few hours are needed to obtain reasonable image quality. In the frame of the project proposed here we plan to develop an upgrade of the prototype neutron generator. This will allow reducing the exposure time needed for the imaging and can enable the practical use of such device, on one hand, as a potential compact user facility for scientific research. The generator could be very valuable in applied scientific research where NDA of robust samples is needed (e.g. nuclear fuel bundle development). On the other hand, the in-field use of mobile NDA devices in real-life or industrial settings for applications that are not time critical, i.e. scanning times of tens of minutes up to an hour are allowed, would also be extremely useful. The two most promising applications for fast neutrons in this respect are: scanning of potentially hazardous individual objects (improvised explosives, explosive legacy, unexploded grenades etc.) and in-field industrial metrology. The latter is meant to test specimen from production lines for quality insurance purposes (investigate defects and confirm reliability, dimensions etc. of critical components). The most critical point to achieve the above goals is to maximize the neutron output of the compact neutron generator to levels enabling scanning of objects with exposure times in the order of minutes or tens of minutes. This should be achieved while keeping or possibly improving the aforementioned spatial resolution, aiming at 1 mm or in the slight sub-mm range. The size of objects that can be scanned with the device must be extended to its maximum (up to 20-25 cm diameter solid, plastic/heavy metal mixed objects should be possible). For this we will significantly increase the operating voltage (HV) of the generator by carefully optimizing the vacuum and HV design. To increase the neutron output, an optimized cooling and thermal design of the target in the generator is foreseen. Furthermore we will examine alternative target materials with improved inherent hydrogen storage and thermal properties that could potentially relax the requirements on cooling. This will involve challenging material science studies using advanced, microscopic analytical techniques to quantify different metal-hydrides target or potentially other deuterium-rich compounds. Finally, an efficient and optimized collimator arrangement must be developed, with the goal to minimize its volume and weight while retaining a sufficiently high suppression of secondary and scattered radiation. The scope of the work is a challenging, multidisciplinary topic for the promotion of a graduate in physics or engineering. The present application requests the funding of the position of a PhD student, together with the necessary financial means for supporting technical and engineering/scientific personnel given the significant technical and engineering design challenges extending over the scope of a common PhD work.
-