Material inspections with low energy neutrons and 3D image reconstruction

Abstract

The nondestructive neutron radiography (NR) and neutron tomography (NT) methods are favored mostly by the industry for quality assurance and improvements of products. In this study, investigation of different materials by means of NR and NT, automation and further improvements at the NR - II facility at ATI - Wien are presented. The suitable radiographic - methods related to the materials and geometry of the samples are discussed. In addition to common thermal NR, cold NR and X-ray radiography were also used in the inspection of some materials. Different interesting materials for the nuclear technology were inspected such as boron-alloyed steels as neutron shielding material, fiber reinforced structural and insulation materials in fusion technology, visualization of inner details and also defects in ancient samples to restore them, manufacturing defects in TiAl turbine blade, e.t.c. Energy Selective Neutron Radiography was utilized in our material inspections because of the strong dependence of material cross-sections on the neutron energy. A portable neutron detection system, JEN-3, which is used for routine neutron transmission measurements through shielding material by the Austrian Steel Production Company Böhler - Bleche GmbH, was analyzed by MCNP simulations in order to define its principle. Of specific interest was the use of MCNP (Monte Carlo Neutron Particle Transport) code to simulate the neutron transmission measurements of shielding materials. Secondary factors in the neutron transmission measurements of strong absorber materials, which were estimated by means of MCNP simulations, are discussed in detail. The NR II facility was upgraded to provide sufficient place for the inspection of bigger samples, and a 10 cm thick lead plate was installed at the back end of the CCD light tight box in order to reduce gamma radiation dose. A 3 dimensional image reconstruction program, which is based on the IDL software, was developed for neutron tomography applications performed at NR II facility. Finally, first NR images taken during the TRIGA Mark II research reactor pulse are presented.

Die zerstoerungsfreie Neutronenradiographische (NR) und Neutronentomographische (NT) Abbildungsmethode wird hauptsaechlich von der Industrie zur Qualitaetssicherung eingesetzt. In dieser Arbeit werden Untersuchungen verschiedener Materialien mittels NR und NT, Automatisierung und weitere Verbesserungen an der NR II Anlage am Atominstitut der Oesterreichischen Universitaeten - Wien vorgestellt. Die geeigneten radiographischen Methoden werden in Abhaengigkeit von Materialien und Geometrien diskutiert. Neben der konventionellen thermischen NR wurden die Roentgenradiographie und NR mit kalten Neutronen eingesetzt. Verschiedene interessante Materialien fuer die Nukleartechnologie wie zum Beispiel borierte Staehle als Neutronen Abschirmungsmaterialen, Faser-, Struktur- und Isoliermaterialien in der Fusionstechnologie und Untersuchung archaeologischen Proben, Homogenitaetsverteilung im TiAl Turbine Blatt u.s.w. wurden untersucht. Es ist von besonderem Interesse, die Homogenitaetsverteilung von Absorbermaterialen mittels radiographischen Methoden quantitativ zu definieren. MCNP (Monte Carlo Neutron Partikel Transport) Simulationen wurden ausgefuehrt, und mit Neutronen Transmissionsmessungen von Neutronen Abschirmungsmaterialen verglichen. Ein transportables System, JEN - 3, das von der oesterreichischen Staehlproduktionsfirma Boehler - Bleche GmbH fuer alltaegliche Neutronen Transmissionsmessungen von Materialen verwendet, wurde mittels MCNP Code analysiert, um dessen Funktion genau zu definieren. Sekundaerenfaktoren, die starke Einflusse auf den Transmissionsmessungen von Absorbermaterialen haben, wurden ausfuehrlich mittels MCNP Simulationen analysiert. Die energieselektive Neutronenradiographie mit kalten Neutronen wurde wegen der starken Abhaengigkeit des Wirkungsquerschnittes von der Neutronenenergie ebenfalls in unseren Untersuchungen verwendet. Die NR II Anlage wurde verbessert, um genuegenden Platz fuer die Untersuchung groesserer Proben bereitzustellen. Dazu wurde eine 10 cm dicke Bleiplatte am Kollimatorausgang (hinter der Betonabschirmung) installiert, um die #gamma#-Abschirmung zu verbessern. Ein dreidimensionales Bildrekonstruktion Programm basierend auf der IDL Software wurde fuer NT Anwendungen an NR II Anlage entwickelt und optimiert. Schliesslich wurde zum ersten Mal NR waehrend des Pulsbetriebes von der TRIGA Mark II Reaktor realisiert.