Project

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

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.

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Last update: 04.01.2016

Title	Year

Number	Title	Start	Funding scheme

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.