파장의 비탄성 산란 해석을 이용한 새로운 열화상 측정법
Scientific Reports 13권, 기사 번호: 688(2023) 이 기사 인용
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측정항목 세부정보
에너지 의존형 중성자 투과 이미징을 사용한 열화상 촬영은 컨테이너 내 물질 내부 온도의 실제 공간 분포를 비침습적, 비파괴적으로 시각화할 수 있습니다. 이전에는 에너지 분해 중성자 전송을 이용한 공명 흡수 확장 분석과 브래그 에지 이동 분석이 개발되었으나 이미징 효율성, 물질 제한, 온도 민감도 등 몇 가지 문제가 남아 있습니다. 이러한 이유로 우리는 저온 중성자의 비탄성 산란의 온도 의존성을 이용한 새로운 중성자 열화상 측정법을 제안합니다. 이 방법에는 몇 가지 장점이 있습니다. 예를 들어 차가운 중성자를 적당한 파장 분해능으로 측정하고 원칙적으로 가벼운 원소를 분석할 수 있기 때문에 이미징 효율이 높습니다. 우리는 영국 ISIS와 일본 HUNS의 펄스 중성자 비행 시간 이미징 기기에서 이 새로운 중성자 열화상 측정의 타당성을 조사했습니다. 비탄성 산란 단면 분석에서 온도 및 원자 변위 매개변수를 개선하기 위해 Rietveld 유형 투과 스펙트럼 분석 프로그램(RITS)이 사용되었습니다. 마지막으로 소형 가속기 구동 펄스 중성자 소스 HUNS에서 중성자 비행 시간 이미징 검출기를 사용하여 진공 챔버 내부에서 10mm 두께의 α-Fe 샘플의 내부 온도 측정을 시연했습니다.
에너지 의존형 중성자 투과 영상을 이용한 중성자 열화상 측정법은 대형 물질의 내부 온도 분포를 비침습적, 비파괴적으로 측정할 수 있는 새로운 원격탐사 방법이 될 것으로 기대된다. 지금까지 핵 도플러 효과를 이용한 상열 중성자 공명 흡수 온도 측정법/열 측정 기술은 에너지 분해 중성자 영상을 이용한 최초의 중성자 온도 측정법으로 개발되었습니다1,2,3,4,5,6,7. 이 방법은 TOF(Time-of-Flight) 방법이 나노초 범위의 미세한 TOF 채널 폭을 필요로 하기 때문에 에너지 분해 상열 중성자 흡수 분광법이 중성자 수 측면에서 통계가 낮다는 점에서 몇 가지 과제가 있습니다. 중성자 흡수의 1/v 법칙으로 인해 상열 중성자의 검출 효율은 느린 중성자의 검출 효율보다 낮습니다. 분리 가능한 중성자핵 공명을 나타내지 않는 일부 핵종의 경우 공명 분석을 통한 온도 측정이 불가능합니다. 한편, 열 또는 저온 중성자 TOF 분석을 사용한 브래그 에지 중성자 전송은 중성자 온도 측정에도 고려할 수 있습니다8,9,10,11. 이 방법은 결정 격자의 열팽창을 사용하고 격자 매개변수를 반영하는 브래그 에지 파장 이동을 분석합니다. 그러나 브래그 에지 시프트 평가에는 1%보다 높은 중성자 파장 분해능과 수십 마이크로초의 상당한 범위에 대한 TOF 분석이 필요합니다. 더욱이, 실험적 이미징 효율은 낮으며, 이 방법은 중성자 투과 스펙트럼에서 브래그 엣지(Bragg-edges)를 갖는 결정질 재료로 제한됩니다.
우리는 에너지 의존형 중성자 투과 영상을 이용한 중성자 온도 측정의 세 번째 유형으로 저온 중성자의 TOF 분석을 이용한 새로운 중성자 온도 측정법을 개발했습니다. 이 새로운 중성자 열화상 측정법은 공명 포착 및 브래그 회절 중성자보다 더 낮은 에너지, 즉 더 긴 파장을 갖는 저온 중성자12의 비탄성 산란 분석을 기반으로 합니다. 저온 중성자의 경우 검출 효율이 향상되고, 비탄성 산란 중성자의 프로파일 분석에는 높은 파장 분해능과 미세한 TOF 분석이 필요하지 않습니다. 후자는 브래그 에지 및 공명 흡수 피크의 프로파일 분석에 필요한 필수 조건입니다. 이러한 이유로 이 새로운 중성자 열화상 측정은 소형 가속기 구동 펄스 중성자 소스13,14와 같은 상대적으로 낮은 강도의 중성자 시설과 TOF 방법을 사용하지 않는 에너지 선택형 중성자 영상 기기와 같은 상대적으로 낮은 에너지 분해능 중성자 시설에서 수행될 수 있습니다15 ,16,17. 이 새로운 온도계의 장점 중 하나는 원칙적으로 중성자 공명 흡수 피크가 없는 다양한 재료에 적용할 수 있다는 것입니다.