ИМПУЛЬСТІК НЕЙТРОН КӨЗІН НЕЙТРОНДЫҚ ТРАНСМИССИЯЛЫҚ БЕЙНЕЛЕУДЕГІ ЕРЕКШЕЛІКТЕРІ

АННОТАЦИЯ

Бұл жұмыста импульстік нейтрон көзін пайдалана отырып энергия бойынша таңдамалы нейтрондық трансмиссиялық бейнелеу әдісі қарастырылып, оның материалдардың ішкі құрылымын зерттеудегі мүмкіндіктері талданады. Нейтрондардың зат арқылы өтуі Бугер–Ламберт заңы тұрғысынан сипатталып, толық көлденең қимасы, термиялық диффузиялық шашырау және серпімді когерентті (Брэгг) шашырау құрамдас бөліктері талданды. Поликристалдық және монокристалдық материалдар үшін Брэгг шеттерінің пайда болу механизмі көрсетіліп, олардың кристалдық құрылым мен фазалық құрамға тәуелділігі талқыланды. Алынған теориялық қатынастар энергия бойынша таңдамалы нейтрондық бейнелеу әдісінің материалдардың фазалық және құрылымдық ерекшеліктерін сандық тұрғыдан зерттеудегі жоғары ақпараттылығын дәлелдейді.

Кілт сөздер: импульстік нейтрон; нейтрондық трансмиссия; Брэгг шеті; бейнелеу әдісі.

Кіріспе

Нейтрондық бейнелеу әдістері қазіргі материалтану, инженерия және конденсацияланған күй физикасында бұзбай зерттеу құралдарының маңызды класына жатады. Рентгендік бейнелеумен салыстырғанда нейтрондар көптеген металдар мен ауыр элементтер үшін жоғары өтімділікке ие болып, жеңіл элементтерге, әсіресе сутегінің сезімталдығымен ерекшеленеді. Осы қасиеттер нейтрондық радиография мен томографияны күрделі көп фазалы және көп құрылымды материалдарды зерттеуде бірегей құралға айналдырады.

Классикалық нейтрондық радиографияда өлшеулер, әдетте, энергия бойынша интегралданған нейтрон ағынын пайдалану арқылы жүргізіледі. Мұндай тәсілде алынатын контраст нейтрондардың орташа әлсіреу қасиеттерімен шектеліп, материалдың ішкі кристалдық құрылымы туралы ақпарат шектеулі болады. Осы шектеуді еңсеру мақсатында соңғы жылдары энергия бойынша таңдамалы нейтрондық бейнелеу әдістері қарқынды дамып келеді.

Импульстік нейтрон көздері нейтрондардың кең энергия спектрін қысқа уақыттық импульстер түрінде қалыптастырады, бұл нейтрон энергиясын олардың көзден детекторға дейінгі ұшу уақыты арқылы ажыратуға мүмкіндік береді. Ұшу уақытына негізделген бұл тәсіл нейтрон толқын ұзындығын дәл анықтауға және трансмиссияның энергияға тәуелді өзгерістерін зерттеуге жағдай жасайды. Атап айтқанда, кристалдық материалдарда серпімді когерентті шашыраумен байланысты Брэгг шеттерін талдау арқылы фазалық құрамды, кристалл тор параметрлерін және текстуралық ерекшеліктерді анықтауға болады.

Осы жұмыстың мақсаты — энергия бойынша таңдамалы нейтрондық бейнелеудің физикалық негіздерін жүйелі түрде қарастырып, нейтрон трансмиссиясының энергияға тәуелді сипаттамаларын және Брэгг шеттерінің материал құрылымымен байланысын талдау.

Нейтрондық бейнелеудің физикалық негіздері

Импульстік нейтрон көздерінде нейтрондар кең энергия спектрімен және қысқа уақыттық импульстер түрінде түзіледі. Мұндай режим нейтрондардың энергиясын олардың көзден детекторға дейінгі ұшу уақыты арқылы ажыратуға мүмкіндік береді. Осы тәсіл энергия бойынша таңдамалы нейтрондық бейнелеудің негізін құрайды және классикалық энергия бойынша интегралданған нейтрондық радиографиямен салыстырғанда материалдың ішкі құрылымы туралы анағұрлым бай ақпарат береді.

Нейтронның энергиясы оның белгілі бір ұшу  жолын t уақыт бойынша  анықталады. Бұл жағдайда нейтронның жылдамдығы

өрнегімен сипатталады, ал кинетикалық энергиясы

түрінде жазылады. Нейтрондардың толқындық қасиеттерін ескере отырып, де Бройль қатынасы қолданылады, оған сәйкес нейтрон толқын ұзындығы

өрнегімен анықталады [1]. Осы теңдеулерді біріктіру арқылы нейтрон толқын ұзындығы мен оның ұшу уақыты арасындағы тікелей байланыс алынады

Бұл қатынас импульстік нейтрон көздерінде энергия бойынша таңдамалы бейнелеуді жүзеге асыруға мүмкіндік береді, себебі детекторды нейтрон импульсінен кейін белгілі бір уақыттық интервалда іске қосу арқылы нақты толқын ұзындығы диапазонындағы нейтрондар таңдалып алынады.

Нейтрондық бейнелеудің негізгі өлшенетін шамасы үлгі арқылы өткен нейтрон сәулесінің интенсивтілігі болып табылады. Үлгі арқылы өтетін нейтрондардың саны нейтрондардың затпен өзара әрекеттесу ықтималдығына байланысты азаяды. Бұл әлсіреу Бугер–Ламберт заңымен сипатталады:

мұндағы  — үлгі арқылы өткеннен кейінгі интенсивтілік,  — үлгісіз тіркелген бастапқы интенсивтілік,  — толқын ұзындығына тәуелді сызықтық әлсіреу коэффициенті, d — үлгінің қалыңдығы.

Сызықтық әлсіреу коэффициенті атомдардың көлемдік концентрациясы N мен толық көлденең қимасының көбейтіндісі ретінде анықталады:

Кристалдық материалдарда серпімді когерентті шашырау Брэгг заңымен сипатталады:

мұндағы,  — нейтронның шашырауына қатысатын кристалл жазықтықтарының қашықтығы,  — шашырау бұрышы, n — шағылудың реттілігі (көп жағдайда бірінші реттік шағылу  деп қарастырылады, себебі оның интенсивтілігі ең жоғары болады),  — нейтрон толқын ұзындығы,  — кристалл жазықтықтарының индекстері, яғни әр түрлі жазықтықтар нейтронның Брэгг шашырауына әр түрлі әсер етеді.

Поликристалдық үлгілерде кристаллиттер барлық мүмкін бағыттарда орналасқан. Осыған байланысты Брэгг шарты  шектеуімен анықталады. Брэгг теңдеуінен көрінгендей, берілген  жазықтықтар үшін максимал толқын ұзындығы

мәнімен анықталады [2]. Осы мәннен үлкен толқын ұзындықтарында сәйкес  жазықтықтар үшін Брэгг шарты орындалмайды, нәтижесінде серпімді когерентті шашырау тоқтайды және нейтрондардың өту интенсивтілігі күрт артады. Бұл құбылыс трансмиссия спектрінде Брэгг шеті ретінде байқалады.

Поликристалдық және монокристалдық материалдар үшін нейтрон трансмиссиясының энергияға тәуелді сипаттамалары олардың ішкі құрылымдық күйімен тығыз байланысты. Бір кристалл жағдайында трансмиссия спектрінде тар және айқын интенсивтілік төмендеулері байқалады, бұл Брэгг шартының тек белгілі кристалл бағдарларында ғана орындалуымен түсіндіріледі. Ірі түйіршікті материалдарда мұндай ерекшеліктер кеңейіп, айқындылығы төмендейді, себебі кристаллиттердің бағдарлары шектеулі диапазонда өзгеріп отырады. Ал ұсақ түйіршікті, кездейсоқ бағдарланған кристаллиттерден тұратын материалдар үшін Брэгг шеттері толқын ұзындығы бойынша біртіндеп өзгеретін, үздіксіз сипатқа ие болады. Текстураланған материалдарда серпімді когерентті шашыраудың әсері сақталғанымен, Брэгг шеттерінің пішіні мен амплитудасы кристаллиттердің артықшылықты бағдарлануына байланысты айтарлықтай өзгереді.

Трансмиссияға әртүрлі процестердің үлесін көрсететін спектрлер жұтылудың толқын ұзындығына баяу және тегіс тәуелді екенін, ал термиялық диффузиялық шашыраудың қысқа толқын ұзындықтарында айтарлықтай үлес қосатынын көрсетеді. Ал Брэгг арқылы шағылған нейтрондар трансмиссия спектрінде тар шұңқырлар түрінде байқалады. Бұл шұңқырлар Лауэ дифракциясының трансмиссиядағы жанама көрінісі болып табылады және кристалл бағдарын талдау үшін маңызды ақпарат береді.

Энергия бойынша таңдамалы нейтрондық бейнелеу Брэгг шетінің дәл үстінде және астында алынған радиографиялық кескіндерді салыстыруға негізделеді. Мұндай тәсіл материалдың фазалық құрамын, микроструктурасын және текстурасын кеңістіктік түрде картаға түсіруге мүмкіндік береді. Әртүрлі фазалар әртүрлі ​ мәндеріне ие болғандықтан, олардың Брэгг шеттері әртүрлі толқын ұзындықтарында байқалады, бұл фазалық контрастты сандық тұрғыдан талдауға жағдай жасайды.

Нейтрондық өту коэффициентінің формуласы:

мұндағы,  —  өту коэффициенті,  — нейтрон интенсивтілігі,  — бастапқы нейтрон интенсивтілігі,  — сызықтық әлсіреу коэффициенті,  — үлгінің қалыңдығы.

Бұл формула энергия бойынша таңдамалы нейтрондық бейнелеудің негізгі сандық сипаттамасы ретінде пайдаланылады.

Трансмиссия интенсивтілігін сандық сипаттау

Нейтрондық трансмиссияны сандық тұрғыдан сипаттау үлгі арқылы өткен нейтрон шоғының интенсивтілігінің әлсіреуін талдауға негізделеді [4]. Қалыңдығы  болатын материал қабатынан өткеннен кейін нейтрон интенсивтілігі Бугер–Ламберт заңы бойынша экспоненциалды түрде өзгереді:

мұндағы, — бастапқы интенсивтілік, n — көлем бірлігіндегі атомдар саны,  — нейтрондардың толық әрекеттесу қимасы.

Толық көлденең кимасы нейтрондардың жұтылу, термиялық диффузиялық шашырау және серпімді когерентті (Брэгг) шашырау процестерінің қосындысынан тұрады [4]:

Жұтылу мен термиялық диффузиялық шашырауға сәйкес келетін фондық әлсіреу

мұндағы,  — негізгі нейтрон интенсивтілігі,  — бастапқы нейтрон интенсивтілігі, n — көлем бірлігіндегі атомдар саны,  — нейтрондардың жұтылу қимасы,  — осы көлемдегі термиялық диффузиялық шашырау қимасы,  — үлгінің элементар қалыңдығы.

Осы қатынастар энергия бойынша таңдамалы нейтрондық бейнелеу кезінде материалдың фазалық және құрылымдық айырмашылықтарын сандық тұрғыдан талдауға мүмкіндік береді.

Әрбір (hkl) жазықтықтар тобы үшін Брэгг шашырауына сәйкес келетін құрылымдық коэффициент формуласы:

мұндағы,  — элементар ұяшықтағы атомдардың шашырау әсерін сипаттайтын коэффициент,  — элементар ұяшықтағы атом саны,  —  жазықтықтары үшін құрылымдық амплитуда,  — элементар ұяшықтың көлемі.

Брэгг шетіне сәйкес келетін толқын ұзындығы Брэгг заңы негізінде анықталады. Бірінші ретті дифракция үшін  және Брэгг бұрышы  болған жағдайда толқын ұзындығы

осы теңдеумен анықталады [2]. Ал кубтық кристалл тор үшін жазықтықтарының қашықтығы

мұндағы,  — тор параметрі,  — кристалл жазықтықтарының индекстері.

Осы өрнектерді біріктіре отырып, Брэгг шетінің толқын ұзындығы үшін келесі формула алынады:

Бұл формула 1-кестеде келтірілген мәндерді есептеуге негіз болды. Кестеден байқалғандай,  индекстерінің мәні артқан сайын  азаяды, соған сәйкес Брэгг шетінің толқын ұзындығы да кемиді. Бұл заңдылық алюминий, мыс және аустенитті болат үшін бірдей сипатта байқалады және олардың кристалл тор параметрлерімен анықталады [4].

Сонымен қатар  коэффициенттерінің мәндері материалдың атомдық құрылымына және нейтрондардың шашырау амплитудасына тәуелді өзгереді. Мыс пен аустенитті болатта  мәндері алюминиймен салыстырғанда едәуір жоғары, бұл олардың атомдық санының үлкендігімен және күрделі кристалдық құрылымымен түсіндіріледі. Әсіресе  жазықтығы үшін аустенитті болатта мәні байқалып, бұл шашырау қарқындылығының жоғары екенін көрсетеді.

Кесте 1.

Брэгг шеттерінің орналасуы және әлсіреу коэффициенттері

Осылайша, 1-кестеде келтірілген нәтижелер Брэгг шеттерінің орналасуы мен әлсіреу коэффициенттерінің материалдың кристаллографиялық параметрлеріне және құрылымдық коэффициентіне тікелей тәуелді екенін көрсетеді. Бұл деректер нейтрондық радиография және Брэгг шеттері әдісі арқылы материалдың фазалық құрамын және құрылымдық ерекшеліктерін талдауда маңызды рөл атқарады.

Қорытынды

Бұл жұмыста импульстік нейтрон көздерінде энергия бойынша таңдамалы нейтрондық бейнелеудің физикалық негіздері қарастырылды. Нейтрон энергиясын ұшу уақытына негізделген әдіспен анықтау арқылы нейтрон толқын ұзындығы мен трансмиссия арасындағы байланыс көрсетілді. Нейтрондардың зат арқылы өтуі Бугер–Ламберт заңы тұрғысынан сипатталып, толық әрекеттесу  қиманың, термиялық диффузиялық шашырау және Брэгг арқылы серпімді когерентті шашырау үлестері талданды. Кристалдық материалдарда Брэгг шеттерінің пайда болуы серпімді когерентті шашыраудың толқын ұзындығына тәуелді тоқтауымен түсіндірілді. Алынған нәтижелер энергия бойынша таңдамалы нейтрондық бейнелеу әдісінің материалдардың фазалық және құрылымдық ерекшеліктерін сандық тұрғыдан зерттеуде тиімді екенін көрсетеді.

Пайдаланылған әдебиеттер:

1. Szentmiklósi L., Kis Z. Neutron radiography and tomography: presentation. – Budapest: Budapest Neutron Centre, Centre for Energy Research, 2020.
2. Sato H. Deriving quantitative crystallographic information from the wavelength-resolved neutron transmission analysis performed in imaging mode // Journal of Imaging. – 2017. – Vol. 3. – No. 4. – P. 47.
3. Подурец К.М., Кичанов С.Е., Глазков В.П., Коваленко Е.С., Мурашев М.М., Козленко Д.П., Лукин Е.В., Ящишина Е.Б. Современные методы нейтронной радиографии и томографии в исследованиях внутреннего строения объектов // Физика элементарных частиц и атомного ядра. – 2021. – Т. 52. – № 3. – С. 534–584.
4. Kockelmann W., Frei G., Lehmann E.H., Vontobel P., Santisteban J.R. Energy-selective neutron transmission imaging at a pulsed source // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. – 2007. – Vol. 578. – P. 421–434.
5. Zhomartova A.Zh., Nazarov K.M., Kenessarin M., Samashev Z.S., Zhumatayev R.S. The neutron imaging studies of the metal archaeological objects from the Eleke Sazy complex // Eurasian Journal of Physics and Functional Materials. – 2024.
6. Нейтронная радиография и томография: новые возможности ядерного реактора ВВР-СМ [Электронный ресурс] // Академия наук Республики Узбекистан. – 2020. – URL: https://www.academy.uz/ru/news/neytron-radiografiya-va-tomografiya-qurilmasi-vvr-sm-yadro-reaktorining-yangi-imkoniyatlari (дата обращения: 12.03.2026).
7. Santisteban J.R., Edwards L., Steuwer A., Withers P.J. Time-of-flight neutron transmission diffraction // Journal of Applied Crystallography. – 2001. – Vol. 34. – P. 289–297.
8. Нейтронная радиография и томография для междисциплинарных и прикладных исследований [Электронный ресурс] // Объединённый институт ядерных исследований. – 2020. – URL: https://www.jinr.ru/posts/nejtronnaya-radiografiya-i-tomografiya-dlya-mezhdistsiplinarnyh-i-prikladnyh-issledovanij/ (дата обращения: 12.03.2026).
9. Santisteban J.R., Edwards L., Stelmukh V. Texture analysis and imaging with time-of-flight neutron transmission diffraction // Physica B: Condensed Matter. – 2006. – Vol. 385–386.
10. Bekbayev A.K., Nazarov K.M., Shaimerdenov A.A., Lennik S.G., Mukhametuly B., Kenessarin M.R., Nurullin R., Gizatulin Sh.Kh., Silnyagin P.P., Nurgozhayev B.M., Silachev I.Yu. Experimental facilities of the WWR-K reactor // Advances in Nuclear Science and Applications. – 2025. – Vol. 1. – No. 1. – P. 50–63.