НЕЙТРОНДЫҚ КОМПЬЮТЕРЛІК ТОМОГРАФИЯ ПРИНЦИПТЕРІ МЕН МҮМКІНДІКТЕРІН 3D ҚАРАСТЫРУ

3D VIEW OF THE PRINCIPLES AND CAPABILITIES OF NEUTRON COMPUTED TOMOGRAPHY

Nurkasymova Saule Nurkasymovna

Doctor of Pedagogical Sciences, Professor, L.N. Gumilyov Eurasian National University, Kazakhstan, Astana

Tleukanova Alina Renatovna

4th year student, L.N. Gumilyov Eurasian National University, Kazakhstan, Astana

Adibay Aidana Baurzhankyzy

4th year student, L.N. Gumilyov Eurasian National University, Kazakhstan, Astana

Аңдатпа. Нейтрондық радиография және компьютерлік томография қазіргі заманғы бұзбай бақылау әдістерінің маңызды салалары болып табылады. Бұл мақаланың мақсаты – нейтрондық томографияның физикалық принциптерін, ерекшеліктерін және қолданылуын зерттеу, сондай-ақ оның басқа бейнелеу әдістерінен артықшылықтарын анықтау. Нейтрондардың затпен өзара әрекеттесуі, сәулелену сәулелерінің геометриялық түрлері және томографиялық бейнелеу принциптері талданады. Сонымен қатар, нейтрондық радиография мен томография археологиядағы мәдени мұра нысандарын, аэроғарыш өнеркәсібінде қолданылатын күрделі техникалық құрылғыларды зерттеуде рентгендік бейнелеу әдістерін тиімді түрде толықтыратыны көрсетілген. Нейтрондардың металдар арқылы еркін өту қабілеті және олардың сутегіге бай материалдарға жоғары сезімталдығы қарастырылған. Бұл қасиеттер бұл әдісті металл корпустардағы органикалық материалдарды және ішкі ақауларды анықтау үшін тиімді етеді. Нейтрондық томографияны археологияда, мәдени мұраны зерттеуде және өнеркәсіпте қолдану мысалдары келтірілген. Жұмыстың ғылыми және практикалық маңыздылығы нейтрондық томографияның заманауи зерттеу құралы ретіндегі тиімділігінің негізделуімен, сондай-ақ болашақта ғылым мен техниканың әртүрлі салаларында қолданудың кең әлеуетімен анықталады.

Abstract. Neutron radiography and computed tomography are important areas of modern non-destructive testing methods. The purpose of this article is to study the physical principles, features and applications of neutron tomography, as well as to identify its advantages over other imaging methods. The interaction of neutrons with matter, the geometric types of radiation beams and the principles of tomographic imaging are analyzed. In addition, it is shown that neutron radiography and tomography effectively complement X-ray imaging methods in the study of cultural heritage objects in archaeology, complex technical devices used in the aerospace industry. The ability of neutrons to freely pass through metals and their high sensitivity to hydrogen-rich materials are considered. These properties make this method effective for detecting organic materials and internal defects in metal cases. Examples of the use of neutron tomography in archaeology, cultural heritage research and industry are given. The scientific and practical significance of the work is determined by the justification of the effectiveness of neutron tomography as a modern research tool, as well as the broad potential for its application in various fields of science and technology in the future.

Түйін сөздер: нейтрон; нейтрондық томография; нейтрондық радиография; 3D бейнелеу; нейтрондық сәулелену.

Keywords: neutron; neutron tomography; neutron radiography; 3D imaging; neutron radiation.

Кіріспе

Қазақстан Республикасының Президенті Қасым-Жомарт Тоқаев өзінің жастар мен ғылым туралы жолдауларында ғылымның іргелі бағыттарының дамуы елдің интеллектуалдық әлеуеті үшін шешуші маңызға ие екенін бірнеше рет атап өткен еді. Президенттің: «Ғылымсыз елдің болашағы бұлыңғыр. Біз жаңа технология мен іргелі зерттеулерге сүйенген мықты ғылыми мектеп қалыптастыруымыз керек» деген сөзі қазіргі физикадағы жалпы салыстырмалылық теориясы сияқты  ілімдердің маңызын ерекше етіп көрсетеді [1].

ХХІ ғасырда  жаңа заман талаптарын басқарып, меңгеретін тұлға ол болашақ жастар. Ол үшін әрбір Қазақстан Республикасының азаматы жан-жақты дамыған, білімді, білгір, құзіретті кәсіпкер болуы тиіс. Соған орай болашақта  әр оқушының кәсіби құзыреттілігіне бағдар алып толықтай дамуы да маңызды.

Нейтрондық томография мен радиографияның теориялық негіздері ХХ ғасырдың 50-60 жылдары қалыптаса бастады. Алайда тәжірибелік қолданысқа енуі жоғары қарқынды нейтрон көздерінің, яғни ядролық реакторлар мен спалляциялық қондырғылардың дамуымен тікелей байланысты болды. Соңғы онжылдықтарда детектор технологиялары мен цифрлық деректерді өңдеу әдістерінің жедел жетілдірілуі нейтрондық томографияны іс жүзіндегі зерттеулер мен өнеркәсіптік тексеру үшін қолжетімді әрі тиімді құралға айналдырды.

Нейтрондық компьютерлік томография – нейтрон сәулелерін пайдалану арқылы зерттелетін заттың ішкі құрылымын үшөлшемді (3D) түрде бейнелеуге мүмкіндік беретін бейнелеу әдісі.

3D технологиялары қазіргі ғылым мен техниканың болашақтағы дамуы үшін ерекше маңызға ие. Үшөлшемді бейнелеу әдістері күрделі нысандардың ішкі құрылымын толық көлемде зерттеуге мүмкіндік беріп, жаңа материалдарды жасау, инженерлік жүйелерді жетілдіру және тарихи мұраларды сақтау сияқты маңызды міндеттерді шешуге көмектеседі. 3D модельдер зерттелетін құрылғылардың  құрылымын қатесіз талдауға, оның ақауларын анықтауға және болашақта қолдануға болатын  мүмкіндіктерін қарастырады. Сонымен қатар алынған үшөлшемді деректер сандық форматта сақталып, оларды қайта өңдеу, модельдеу және виртуалды зерттеу жүргізу үшін пайдалануға болады. Сондықтан 3D бейнелеу технологиялары ғылымның, өнеркәсіптің және мәдени мұраны зерттеудің болашақтағы негізгі құралдарының бірі болып саналады.

Нейтрондық томографияның мен рентгендік томографиядан негізгі айырмашылығы - нейтрондардың затпен әрекеттесу механизмі. Рентген сәулелері атомдардың электрон қабықшаларымен әрекеттесіп, ауыр элементтермен күштірек сіңіріледі. Нейтрондардың сіңірілуі химиялық элементтің периодтық кестедегі орнына тәуелсіз. Нәтижесінде нейтрондар темір, алюминий және мыс сияқты ауыр металдардан оңай өтеді. Бұл қасиет нейтрондық томографияны металл корпустардың ішінде орналасқан майларды, тығыздағыштарды, полимерлерді және басқа да органикалық материалдарды анықтауда тиімді әдіске айналдырады.

Бүгінгі таңда нейтрондық томография автомобиль және аэроғарыш өнеркәсібіндегі бұзбай сынаудан бастап, ежелгі тарихи артефактілерді зерттеуге дейінгі кең ауқымды міндеттерді шешуде қолданылады.

Нейтрондық томографияның физикалық негіздері

Нейтрондық томография – нейтрон сәулелерін пайдалану арқылы заттың ішкі құрылымын зерттеуге мүмкіндік беретін бейнелеу әдісі. Бұл әдісте зерттелетін зат нейтрон шоғы арқылы әртүрлі бұрыштарда сәулелендіріліп, алынған проекциялық кескіндер компьютерлік алгоритмдер арқылы өңделеді. Нәтижесінде заттың ішкі құрылымының үшөлшемді (3D) бейнесі қалпына келтіріледі.

Жалпы томографияны жүзеге асыру кезінде сәуле шоғы әртүрлі геометриялық үлгіде қалыптастырылуы мүмкін: параллель шоқ, желдеткіш тәрізді шоқ және конус пішінді шоқ (1-сурет) [2].

Сурет 1. Томографиялық бейнелеу кезінде қолданылатын сәуле шоғының түрлері: a) параллель шоқ, b) желдеткіш тәрізді шоқ, c) конус пішінді шоқ

Параллель шоқ геометриясында сәулелер бір-біріне параллель бағытта таралады және зат арқылы өткеннен кейін детекторда тіркеледі. Мұндай геометрия көбінесе нейтрондық және синхротрондық сәулелену көздерінде қолданылады. Желдеткіш тәрізді шоқ жағдайында сәулелер нүктелік көзден таралып, желдеткіш пішінінде затқа бағытталады. Нәтижесінде зат қабат бойынша сканерленіп, алынған проекциялар негізінде кескіндер реконструкцияланады. Ал конус пішінді шоқ геометриясында сәуле нүктелік көзден конус тәрізді таралады, бұл жағдайда заттың бүкіл көлемі бір уақытта сәулеленеді және алынған деректер бір мезгілде өңделіп, үшөлшемді томографиялық кескін қалыптастырылады.

Проекциялық кескіндердің сапасына сәуле шоғының геометриялық параметрлері де әсер етеді. Радиографиялық және томографиялық жүйелердің маңызды сипаттамаларының бірі – сәуле көзінен үлгіге дейінгі қашықтық (L) және коллиматор саңылауының диаметрі (D). Осы шамалардың  қатынасы, параметр сәуле шоғының коллимация дәрежесін және алынатын кескіннің ажыратымдылығын анықтайды.

Классикалық радиография жүйесінде сәуле шоғы коллиматор арқылы қалыптастырылады. Заттың шағын көлемдік элементі сәуле көзі бұрышына және зат пен детектор арасындағы қашықтыққа байланысты детектор жазықтығында белгілі бір өлшемдегі дақ түрінде проекцияланады. Нәтижесінде кескіннің геометриялық бұлыңғырлануы пайда болады. Бұл бұлыңғырлану шамасы сәуле көзі өлшеміне, зат пен детектор арасындағы қашықтыққа және  параметріне тәуелді болады (2-сурет).

Сурет 2. Радиографиялық жүйедегі сәуле шоғының қалыптасу схемасы

Суретте радиографиялық қондырғының негізгі элементтері: коллиматор, үлгі және детектор көрсетілген [2]. Коллиматор сәуле шоғын қалыптастырады, ал оның диаметрі D параметрімен сипатталады. Коллиматор мен үлгі арасындағы қашықтық L, ал үлгі мен детектор арасындағы арақашықтық  деп белгіленеді. Үлгінің шағын элементі детекторда белгілі бір диаметрдегі дақ ретінде бейнеленеді. Бұл құбылыс кескіннің геометриялық бұлыңғырлануына () әкеледі. Айта кету керек, томография әдісі көптеген радиографиялық проекциялар негізінде жүзеге асырылатындықтан, радиография қондырғысының геометриялық параметрлері томографиялық зерттеулер үшін де маңызды болып табылады. Сондықтан томографияда сәуле шоғының мүмкіндігінше параллель болуы кескін сапасын арттыруда маңызды рөл атқарады.

Зерттеу барысында нейтрондардың затпен әсерлесу ерекшеліктері, сәуле шоғының геометриялық параметрлері және томографиялық бейнелеу принциптері қарастырылды. Сонымен қатар ғылыми әдебиеттерге талдау жүргізіліп, заманауи нейтрондық бейнелеу әдістері жүйеленді.

Нәтижелер мен талқылау

Нейтрондық томография қазіргі уақытта ғылым мен техниканың көптеген салаларында кеңінен қолданылатын заманауи зерттеу әдістерінің бірі болып табылады. Бұл әдіс материалдардың ішкі құрылымын зерттеуге мүмкіндік беретіндіктен, әртүрлі техникалық және ғылыми салаларда маңызды рөл атқарады.

Археология және мәдени мұраны зерттеу саласында нейтрондық томография ерекше маңызды құрал болып табылады. Бұл әдіс тарихи артефактілердің ішкі құрылымын зақымдамай зерттеуге мүмкіндік береді. Мысалы, қола мүсіндер, ежелгі қару-жарақтар, зергерлік бұйымдар және басқа да мәдени мұра нысандарының ішкі құрылымы мен жасалу технологиясын анықтауға болады. Сонымен қатар мүсіндердің ішінде орналасқан жасырын заттарды немесе қасиеттеу салымдарын анықтау мүмкіндігі бар.

Осы саладағы нақты бір мысал – Индонезиядан табылған қола мүсіні (3-сурет).

Сурет 3. a) Кувера – байлық құдайын бейнелейтін қола мүсіні; b) мүсіннің тұғырының төменгі жағынан қарағандағы көрінісі. Толтырғыш материал арасынан сыртқа шығып тұрған металл фольгасының бір бөлігі байқалады; c) нейтрондық томография арқылы алынған модельдің тік кесіндісі; d) сұр реңктер бойынша жүргізілген сегментация нәтижесінде әртүрлі материалдарға сәйкес келетін аймақтары көрсетілген

Қарастырылып отырған суретте шағын мүсін индуизмде Кувера, ал буддизмде Джамбхала деп аталатын байлық құдайының бейнесі көрсетілген. Биіктігі шамамен 11 см болатын мүсіннің тұғыры қуыс болып келеді және оның ішінде әртүрлі толтырғыш материалдар мен металл фольга орналасқаны анықталған. Артефактінің ішкі құрылымын бұзбай зерттеу және оның құрамындағы материалдар туралы мәлімет алу мақсатында нейтрондық томография және гамма-спектроскопия әдістері қолданылған [3].

Нейтрондық томография нәтижелері мүсіннің ішкі құрылымы туралы маңызды ақпарат алуға мүмкіндік берді. Томографиялық кескіндер арқылы қола материалдың ішкі кеуектілігі, тұғыр бөлігінде орналасқан металл фольга және оны қоршаған толтырғыш материал анық байқалады. Сонымен қатар алынған деректер бойынша мүсіннің оның ішкі құрылымдық ерекшеліктерін зерттеуге мүмкіндік береді.

Нейтрондық томография өнеркәсіп саласында да кеңінен қолданылады. Бұл әдіс әртүрлі материалдардың ішкі құрылымын және олардың арасындағы байланыс қабаттарын бұзбай зерттеуге мүмкіндік береді. Мысалы, алюминий цилиндрлерінің арасындағы желім қабаттарын зерттеу кезінде нейтрондық бейнелеу әдісі желімнің таралуын, қалыңдығын және ықтимал ақауларын анық көрсетуге мүмкіндік береді (4-сурет). Мұндай зерттеулер желімделген конструкциялардың сапасын бақылауда, сондай-ақ машина жасау және аэроғарыш өнеркәсібінде қолданылатын материалдардың сенімділігін бағалауда маңызды рөл атқарады.

Сурет 4. Нейтрондық томография арқылы алынған алюминий цилиндрлерінің кескіні

4-суретте нейтрондық томография арқылы алынған алюминий цилиндрлерінің ішкі құрылымы көрсетілген [2]. Кескінде цилиндр пішінді үлгінің ішкі бөлігіндегі параллель орналасқан элементтер айқын байқалады. Нейтрондық бейнелеу әдісінің көмегімен материалдың ішкі құрылымы мен қабаттары анық көрінеді. Сонымен қатар алюминий цилиндрлерінің арасындағы желім қабаттары мен олардың таралуы да айқын байқалады. Мұндай кескіндер нейтрондық томографияның өнеркәсіптік материалдарды, желімделген конструкцияларды және олардың ішкі ақауларын зерттеуде тиімді әдіс екенін көрсетеді.

Осылайша нейтрондық томография материалдардың ішкі құрылымын жоғары дәлдікпен зерттеуге мүмкіндік беретін тиімді әдіс болып табылады. Бұл әдістің негізгі артықшылықтарының бірі – зерттелетін үлгінің ішкі құрылымын үшөлшемді түрде визуализациялау мүмкіндігі. Сонымен қатар нейтрондық томография ауыр металдар арқылы оңай өтіп, сутегіге бай материалдарды жақсы анықтай алады, бұл оны рентгендік әдістермен салыстырғанда бірқатар жағдайларда тиімді етеді. Әдіс жоғары кеңістіктік ажыратымдылыққа ие болып, материалдардың ішкі ақауларын, кеуектілігін және құрылымдық ерекшеліктерін дәл анықтауға мүмкіндік береді. Сондай-ақ алынған томографиялық деректерді компьютерлік өңдеу арқылы үлгінің толық үшөлшемді моделін құруға болады.

Зерттеу нәтижелері бойынша нейтрондық компьютерлік томография өнеркәсіпте, материалтануда, энергетикада, археологияда және мәдени мұра нысандарын зерттеуде кеңінен қолданылатын маңызды зерттеу құралдарының бірі болып табылады.

Қорытынды

Бұл жұмыста 3D нейтрондық компьютерлік томографияның негізгі принциптері, физикалық ерекшеліктері және қолдану мүмкіндіктері қарастырылды. Нейтрондық томография зерттелетін заттың ішкі құрылымын үшөлшемді түрде бейнелеуге мүмкіндік беретін тиімді бейнелеу әдісі болып табылады.

Нейтрондық томографияның жұмыс принципі, сәуле шоғының геометриялық түрлері және радиографиялық жүйенің негізгі параметрлері қарастырылды. Нейтронды томография әдісінің археология, мәдени мұраны зерттеу және өнеркәсіп салаларындағы қолданылу мысалдары келтірілді. Нейтрондық томографияның көмегімен тарихи артефактілердің ішкі құрылымын зерттеу, олардың жасалу технологиясын анықтау және жасырын элементтерді табу мүмкіндігі көрсетілді.

Қазіргі уақытта нейтрондық томография технологиясы қарқынды дамып келеді. Жаңа буын спалляциялық нейтрон көздерінің іске қосылуы нейтрон ағынының қарқындылығын арттырып, өлшеу уақытын қысқартуға және кеңістіктік ажыратымдылықты жақсартуға мүмкіндік береді. Сонымен қатар детектор технологияларының жетілдірілуі және деректерді өңдеуде жасанды интеллект пен машиналық оқыту әдістерінің қолданылуы томографиялық кескіндердің сапасын одан әрі арттыруға ықпал етеді. Болашақта нейтрондық томография материалдардың микрокұрылымын, магниттік домендерді, кристалдық ақауларды және наноқұрылымдарды зерттеуде маңызды рөл атқарады деп күтілуде.