N-Ray – Loại tia bức xạ mới ứng dụng trong Kiểm tra không phá hủy

Mới đây, lần đầu tiên trong lịch sử, các nhà khoa học của Công ty công nghệ hạt nhân Phoenix LLC đã nghiên cứu và chế tạo ra Hệ thống chụp ảnh phóng xạ sử dụng tia nơtron, trở thành một kỹ thuật tiên tiến mới trong ứng dụng kiểm tra không phá hủy (NDT).

So sánh ảnh chụp bức xạ sử dụng tia X và tia nơtron. (Ảnh: Phoenix LLC)

Thành phố Madison, Bang Wisconsin từ lâu đã trở thành trung tâm nghiên cứu hạt nhân ở Trung Tây, Hoa Kỳ với nhiều thành tựu về phát triển các loại công nghệ hạt nhân tiên tiến hàng đầu hiện đang được thế giới sử dụng, bao gồm các công nghệ mới có ứng dụng các nguồn phát nơtron. Đây là công nghệ mang tính cách mạng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, công nghệ cao. Công ty Phoenix LLC. là công ty chuyên về phát triển hạt nhân, mới đây đã nghiên cứu chế tạo thành công Hệ thống công nghệ sử dụng bức xạ nơtron đầu tiên trong lịch sử cho mục đích thương mại mà không cần đến các lò phản ứng hạt nhân. Bức xạ nơtron trong Hệ thống này được dựa trên công nghệ máy gia tốc tiên tiến. Đây là một công nghệ mới, tiên tiến, mở ra hướng dễ tiếp cận hơn đến cộng đồng NDT.

Chụp ảnh bức xạ nơtron là gì?

Chụp ảnh bức xạ nơtron, tương tự như chụp ảnh bức xạ sử dụng tia X và các phương pháp chụp ảnh bức xạ công nghiệp khác, sử dụng tia bức xạ xuyên thấu để tạo phim hoặc hình ảnh kỹ thuật số về cấu trúc bên trong của vật thể. Bức xạ nơtron có các đặc tính rất khác với tia X và các loại bức xạ khác trên phổ sóng điện từ, mang lại nhiều  ứng dụng mà tia X không thể có được. Do tia nơtron có khả năng xuyên qua các vật liệu có mật độ đặc dễ hơn các vật liệu nhẹ, nên hình ảnh bức xạ nơtron đặc biệt hiệu quả trong kiểm tra các thiết bị chịu áp lực và năng lượng lớn (lòng súng, pháo, động cơ phản lực, hệ thống phóng tên lửa, tàu vũ trụ,…), thiết bị sử dụng vật liệu mật độ đặc gây khó khăn đối với tia X.

Đo đặc tính của tia X, các vật liệu có nguyên tử càng nhiều electron thì tia X càng khó đi qua. Do đó, hình ảnh bức xạ sử dụng tia X thu được trên các vật liệu mật độ đặc thường mờ đục hơn các vật liệu nhẹ. Điều này lý giải cho một ví dụ điển hình trong ảnh chụp X-quang bàn tay cho hiển thị rõ xương mà không thấy rõ phần thịt xung quanh. Đối với chụp ảnh bức xạ sử dụng tia nơtron, hình ảnh thu được không chịu ảnh hưởng bởi mối tương quan giữa mật độ vật liệu và độ mờ. Trên thực tế, ngay cả các vật liệu cấu thành từ hai nguyên tố cạnh nhau trên bảng tuần hoàn, cho hình ảnh gần như giống hệt nhau khi sử dụng tia X lại khác nhau trong hình ảnh khi sử dụng tia nơtron.

Chụp bức xạ nơtron có nhiều ứng dụng trong NDT công nghiệp, như phát hiện các khuyết tật bên trong các bộ phận đúc; các khuyết tật trong vật liệu có mật độ và năng lượng thấp; tìm kiếm vị trí bị ăn mòn bên trong đường ống kim loại, kiểm tra về tính toàn vẹn cấu trúc của các mối hàn; xác định sự hiện diện và vị trí vòng đệm O-rings, điểm đánh dấu, chất bôi trơn và chất kết dính bên trong các cụm thiết bị phức tạp. Tuy nhiên, cho đến nay, do khả năng về tiếp cận hạn chế so với các phương pháp NDT khác, nên tiềm năng của tia nơtron trong các ứng dụng NDT vẫn chưa được khai thác hoàn toàn.

Phương pháp chụp ảnh bức xạ nơtron lần đầu tiên được nghiên cứu vào những năm 1930 ngay sau khi James Chadwick phát hiện ra nơtron, nhưng cho đến những năm 1950, khi các tổ chức nghiên cứu bắt đầu xây dựng và vận hành các lò phản ứng hạt nhân, bức xạ nơtron mới được sử dụng trong công nghiệp. Sự phân hạch hạt nhân tạo ra một số loại bức xạ riêng biệt từ các hạt hạ nguyên tử còn sót lại khi một nguyên tử không bền bị phân rã thành hai hoặc nhiều nguyên tử nhẹ hơn: Bức xạ alpha, gồm hai proton và hai nơtron liên kết với nhau; bức xạ beta, gồm các điện tử tự do; bức xạ nơtron, gồm các nơtron tự do.

Chụp ảnh bức xạ nơtron yêu cầu thông lượng nơtron cao để tạo ra hình ảnh sắc nét, rõ ràng và chi tiết mà cho đến nay, thông lượng nơtron cao như vậy chỉ có thể có trong phản ứng phân hạch từ các lò phản ứng hạt nhân. Vì số lượng các lò phản ứng có sẵn để sử dụng cho mục đích thương mại hiện rất ít, nên sự phụ thuộc nhiều vào các lò phản ứng đã hạn chế nghiêm trọng việc sử dụng các kỹ thuật chụp ảnh bức xạ nơtron. Gần đây, số lượng lò phản ứng cung cấp bức xạ nơtron cũng đang giảm dần khi tuổi thọ của các lò phản ứng già đi và dẫn tới ngừng hoạt động.

Những cải tiến mới với các nguồn phát nơtron

Kể từ những năm 1930, các nhà nghiên cứu đã tiến hành điều tra và xác định các nguồn nơtron khác nhau, từ nguồn ống, thiết bị để bàn tạo ra thông lượng nơtron thấp bằng cách chia tách các đồng vị nặng của hydro; các thiết bị phát nơtron như đồng vị californium-252, phát bức xạ nơtron tự nhiên như một phần của quá trình phân rã phóng xạ; các lò phản ứng hạt nhân, tạo ra thông lượng nơtron cao từ sản phẩm phụ của uranium-235 phân tách thành các đồng vị phóng xạ nhỏ hơn.

Bức xạ nơtron có nhiều ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu, như ngành công nghiệp dầu mỏ và dầu khí phụ thuộc rất nhiều vào nguồn nơtron dạng ống để khai thác giếng dầu. Nhiều cải tiến mới trong công nghệ hạt nhân đang bù đắp những tổn thất của việc suy giảm các cơ sở hạt nhân, như Công ty NuScale và Oklo đang thiết kế các lò phản ứng hạt nhân nhỏ; SHINE Medical Technologies đang phát triển nguồn không phản ứng cho các đồng vị phóng xạ y tế quan trọng trong các quy trình chẩn đoán hình ảnh; Công ty Phoenix thiết kế máy phát nơtron thông lượng cao cho các ứng dụng như sản xuất đồng vị, hình ảnh nơtron và làm cứng bức xạ. Trong những năm gần đây, các máy phát nơtron đã dần có công suất lớn hơn rất nhiều. Năm 2020, Phoenix đã hoàn thành việc xây dựng cơ sở chụp ảnh nơtron thương mại đầu tiên không có lò phản ứng (Trung tâm Hình ảnh nơtron Phoenix, hoạt động thương mại từ tháng 4 năm 2020). Cơ sở này sử dụng máy gia tốc phát ion năng lượng cao với mục tiêu độc quyền tạo ra đủ nơtron có thông lượng và chất lượng đáp ứng mọi yêu cầu cho các ứng dụng công nghiệp. Đến nay, cơ sở này cũng đã đạt được yêu cầu về chất lượng hình ảnh nơtron cao nhất có thể theo tiêu chuẩn ASTM và được một số nhà sản xuất trong lĩnh vực hàng không vũ trụ chứng nhận.