Д.П. Козленко
С.Е. Кичанов, Б.Н. Савенко, E.В. Лукин, К.M. Назаров, И.Ю. Зель, Б.А. Бакиров, М. Кенессарин, А. Жомартова, В.С. Смирнова

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 методам нейтронной радиографии и томографии по сравнению с рентгеновским излучением 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. В ЛНФ 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 позволило развить в ЛНФ новое прикладное направление исследований, связанное с неразрушающим анализом внутреннего строения широкого круга объектов, изделий и материалов, среди которых – палеонтологические объекты природного наследия, инженерные изделия, объекты внеземного происхождения - метеориты, археологические объекты культурного наследия

Рис.1. Схема установки нейтронной радиографии и томографии на 14-ом канале высокопоточного импульсного реактора ИБР-2. Длина коллиматорной системы – 11 м, а линейные размеры нейтронного пучка на выходе системы - 20×20 см. Система гониометров служит для проведения томографических экспериментов. Регистрация нейтронов осуществляется специально разработанной детекторной системой на основе CCD камеры высокого разрешения.

Метод нейтронной радиографии и томографии является прикладным методом неразрушающего контроля в современных технологиях. Проникновение нейтронов в толщу материала обеспечивает информацию о пространственном распределении внутренних компонентов, трещин и внутренних дефектов, мест и путей проникновения коррозии в промышленные и инженерные объекты.

C помощью метода нейтронной томографии исследованы два метеорита разных типов: палласит Сеймчан и хондрит Челябинск. Особенности взаимодействия нейтронов с веществом позволили обнаружить и разделить внутренние минеральные компоненты этих метеоритов, получить трехмерное пространственное распределение никеля в металлической компоненте этих метеоритов-палласитов, построить распределения по занимаемым объемам и средним размерам внутренних составных минералов, определить их морфологические особенности. Следует отметить, что соответствующие коэффициенты ослабления нейтронов для железа и никеля в несколько раз больше соответствующих коэффициентов для минерала оливина, поэтому, в экспериментах по нейтронной радиографии металлические вкрапления и жилы хорошо контрастируют на фоне зерен оливина (рис. 2a). Различие коэффициентов ослабления нейтронов металлической и оливиновой компонентами позволило уточнить ряд петрологических и морфологических особенностей метеоритов. Нейтронная томография позволила обнаружить анизотропию распределения никеля внутри железной компоненты метеорита Сеймчан и крупные зерна минерала камасита (рис. 2б) во внутреннем объеме исследованного фрагмента Челябинского метеорита.

Рис.2. а) Нейтронная томография метеоритов: а) – трехмерная модель фрагмента метеорита Сеймчан, металлические области отмечены красным цветом, оливиновый минерал – светлым. б) – виртуальный срез фрагмента Челябинского метеорита, светлые области соответствуют металлическому камаситу, серые области – силикатным минералам.

Исследования объектов культурного наследия с помощью естественно-научных методов важны для расширения и углубления их источниковедческих возможностей. Исследования позволяют определить место создания артефактов, пути их распространения, установить возраст, технологии изготовления, первоначальный облик и последующие изменения. Это позволяет получить новые данные о культуре, науке, ремеслах, технологиях, торговых связях, истории целых стран и народов. Особая ценность и зачастую хрупкость объектов культурного наследия требует применения современных методов неразрушающего контроля для их исследований, как например, метод нейтронной томографии и радиографии. Следует отметить, что зачастую особенностью объектов культурного наследия является то, что в них могут совмещаться материалы с разными физико-химическими свойствами: металлы, вещества минерального и органического происхождения, поэтому применение взаимодополняющих методов для их изучения весьма важно. Данные нейтронной визуализации могут быть дополнены рентгеновской визуализацией, а также исследованиями элементного и фазового состава веществ.

Необходимо особо отметить большой научный задел по неразрушающим исследованиям объектов культурного наследия с помощью нейтронной радиографии и томографии: уникальные исследования внутренней организации и фазового состава монет Древней Греции и Булгарии, объектов древнерусского культурного наследия, и в частности, Тверского клада, найденного в 2014 г и датированного XIII веком – периодом нашествия Батыя. Высокий радиографический контраст между серебром и медью позволил успешно исследовать как пространственное распределение этих элементов, так и оценить химический состав древних монет: от Боспорских статеров до древнебулгарских пулов. Высокая проникающая способность нейтронов позволила реконструировать 3D внутреннее строение древнерусских (Рис. 3) и средневековых европейских украшений, 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.

Рис. 3. Фотография 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.

Публикации

1. Kichanov S., Saprykina I., Kozlenko D., et al., Studies of ancient russian cultural objects using the neutron tomography method. Journal of Imaging, 4(2), 25 (2018). Doi:10.3390/jimaging4020025
2. Kichanov S.E., Kozlenko D.P., Lukin, E.V., et al., A neutron tomography study of the Seymchan pallasite. Meteoritics & Planetary Science, 53(10), 2155-2164 (2018). Doi:10.1111/maps.13115
3. Kichanov S.E., Kozlenko D.P., Kirillov A.K., et al., A structural insight into the Chelyabinsk meteorite: neutron diffraction, tomography and Raman spectroscopy study. SN Applied Sciences, 1(12), 1-9 (2019). Doi:10.1007/s42452-019-1614-x