Neutronradiografie: kijken door metaal heen met behulp van neutronen
Een gewone röntgenfoto, zoals bij de tandarts of in het ziekenhuis, laat zien waar dichte, zware materialen zoals bot of metaal zitten: die blokkeren de straling en blijven wit op de foto, terwijl zachte weefsels grotendeels doorzichtig zijn. Neutronradiografie is in feite hetzelfde soort foto, maar dan met neutronen — deeltjes zonder elektrische lading uit de kern van een atoom — in plaats van röntgenstraling. Het bijzondere is dat neutronen zich precies omgekeerd gedragen: ze schieten vrijwel ongehinderd dwars door lood, staal of aluminium heen, maar worden juist sterk tegengehouden door materialen met veel waterstof erin, zoals water, olie, plastic of hout.
Stel je een dichte metalen motoronderdeel voor met daarin een dun laagje smeerolie, of een archeologisch bronzen beeld met houtresten in de kern. Met een röntgenapparaat zie je vooral het metaal en blijft de olie of het hout onzichtbaar, omdat die te “doorzichtig” zijn voor röntgenstraling. Draai je de techniek om en gebruik je neutronen, dan gebeurt het omgekeerde: het metaal wordt bijna transparant en de olie, het water of het hout springt er juist scherp uit. Neutronradiografie is daarom geen vervanger van röntgenonderzoek, maar een aanvulling die dingen zichtbaar maakt die anders verborgen blijven.
Wat is het precies?
Voor neutronradiografie is allereerst een bron van neutronen nodig. Dat kan een onderzoeksreactor zijn, waarin kernsplijting continu neutronen vrijmaakt, of een zogeheten spallatiebron, waarbij een deeltjesversneller protonen met hoge snelheid op een zwaar metalen doelwit (vaak wolfraam of tantaal) afvuurt, waardoor neutronen “losgeslagen” worden. Er bestaan ook kleinere, compacte versneller-gedreven neutronenbronnen die minder neutronen leveren dan een reactor, maar goedkoper en flexibeler zijn.
De neutronen die uit zo'n bron komen, vliegen in alle richtingen. Met loden of borium-houdende afschermingen en een lange, nauwe buis (een collimator) wordt hieruit een min of meer evenwijdige bundel gefilterd, vergelijkbaar met hoe een zaklamp met een koker een gerichte lichtstraal geeft in plaats van diffuus licht. Deze bundel wordt door het te onderzoeken object gestuurd.
Onderweg door het object botsen sommige neutronen op atoomkernen en worden ze verstrooid of geabsorbeerd, terwijl andere ongehinderd doorvliegen. Dit is het fundamentele verschil met röntgenstraling: röntgenfotonen wisselwerken vooral met de elektronen rond een atoomkern, en hoe meer elektronen (dus hoe zwaarder het element), hoe meer afscherming. Neutronen wisselwerken met de atoomkern zelf, en die wisselwerking hangt niet netjes samen met het gewicht van een element. Waterstofkernen (enkele protonen) blijken toevallig extreem goed neutronen te verstrooien, terwijl veel zware metalen juist relatief weinig neutronen tegenhouden.
Na het object treffen de doorgelaten neutronen een scintillator, een laagje materiaal dat oplicht (zichtbaar licht uitzendt) wanneer het door een neutron geraakt wordt. Een gevoelige camera legt dat lichtpatroon vast, en zo ontstaat een tweedimensionale schaduwafbeelding: een neutronradiografie. Draait men het object stapsgewijs rond zijn as en neemt men bij elke stand een opname, dan kan een computer daaruit een driedimensionaal model reconstrueren. Die 3D-variant heet neutronentomografie, naar analogie van de CT-scan die in ziekenhuizen met röntgenstraling wordt gemaakt.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel is niet-destructief onderzoek: iets bekijken zonder het open te zagen of te beschadigen. Röntgenonderzoek kan dat ook, maar loopt vast zodra men juist geïnteresseerd is in lichte, waterstofrijke stoffen binnenin zware materialen. Denk aan vocht of corrosieproducten in een metalen constructie, resten smeerolie of brandstof in een motoronderdeel, of lijmverbindingen tussen metalen platen.
Een tweede belangrijk doel is het bestuderen van processen terwijl ze gebeuren, het zogeheten operando onderzoek: hoe verplaatst water zich in een werkende brandstofcel, hoe verandert de verdeling van lithium in een batterij tijdens het opladen, hoe stroomt waterstofgas een opslagtank in. Dat soort inzicht helpt ontwerpers om efficiëntere en veiligere energietechnologie te ontwikkelen.
Daarnaast is neutronradiografie waardevol voor cultureel erfgoed en archeologie, omdat het organische resten, houten kernen of textiel binnenin metalen objecten zichtbaar kan maken zonder het object te beschadigen. Ook in de nucleaire sector wordt de techniek gebruikt om splijtstofstaven te inspecteren op scheurtjes of gasvorming, iets wat direct met veiligheid te maken heeft.
Voorbeelden uit de praktijk
Bij het Paul Scherrer Institute (PSI) in Zwitserland wordt neutronenbeeldvorming al geruime tijd gebruikt om de waterhuishouding in PEM-brandstofcellen te bestuderen: dunne membranen waarin waterophoping de prestaties kan verstoren. Doordat neutronen water zo scherp laten zien tegen het metalen omhulsel, kunnen onderzoekers precies zien waar vocht zich ophoopt tijdens bedrijf.
Diezelfde gevoeligheid voor lichte elementen maakt neutronenbeeldvorming geschikt voor onderzoek aan lithium-ionbatterijen. Bij faciliteiten als PSI, het Amerikaanse Oak Ridge National Laboratory (ORNL) en het NIST Center for Neutron Research wordt gekeken naar zaken als lithiumplating (de ongewenste afzetting van metallisch lithium tijdens snel laden) en de verdeling van de vloeibare elektrolyt, in batterijen die tijdens de meting gewoon aan staan.
In de lucht- en ruimtevaart wordt neutronradiografie gebruikt om gegoten onderdelen zoals turbinebladen te controleren. Bij het gieten van zulke bladen blijft soms een keramische kern achter in de fijne interne koelkanaaltjes; omdat die keramische resten met röntgenstraling nauwelijks te onderscheiden zijn van het omringende metaal, maar met neutronen wel, kunnen fabrikanten en onderzoeksinstellingen als ORNL en PSI controleren of de kanalen echt vrij zijn.
Een bekend voorbeeld uit het cultureel erfgoed is het onderzoek aan het Zweedse zeventiende-eeuwse oorlogsschip de Vasa, dat na eeuwen op de zeebodem werd geborgen. Onderzoekers hebben neutronenbeeldvorming ingezet om houtdegradatie en de verdeling van zwavel- en ijzerverbindingen in het scheepshout te bestuderen, kennis die helpt om het conserveringsproces van het schip te sturen.
Tot slot wordt de techniek gebruikt in plantenonderzoek: bij instellingen als Forschungszentrum Jülich, in combinatie met de ANTARES-bundellijn van FRM II in Duitsland, is wortelgroei en wateropname door plantenwortels in de bodem in beeld gebracht, iets wat met andere technieken nauwelijks zichtbaar te maken is zonder de plant te verstoren.
Hoe ver is de techniek?
Neutronradiografie is geen nieuwe uitvinding. Zodra er na de Tweede Wereldoorlog onderzoeksreactoren beschikbaar kwamen, begonnen wetenschappers neutronenbundels te gebruiken om materialen te doorlichten, en sinds de tweede helft van de twintigste eeuw is de techniek een gevestigde, volwassen onderzoeksmethode. In die zin is het geen doorbraaktechnologie die nog moet bewijzen dat ze werkt.
Wat wel voortdurend verbetert, is de resolutie en snelheid van de detectoren: waar vroeger fotografische platen werden gebruikt, staan nu gevoelige camera's en detectorchips die beelden met een resolutie tot in de tientallen micrometers kunnen vastleggen, en die snel genoeg zijn om processen in de tijd te volgen (tijdsopgeloste of 4D-beeldvorming). Ook wordt neutronenbeeldvorming steeds vaker gecombineerd met röntgenbeeldvorming van hetzelfde object, zodat de twee complementaire contrastmechanismen samen een vollediger beeld geven.
Een opvallende ontwikkeling is de opkomst van compacte, versneller-gedreven neutronenbronnen (vaak afgekort als CANS) als alternatief voor grote onderzoeksreactoren. Een voorbeeld is het HBS-project (High Brilliance Neutron Source) bij Forschungszentrum Jülich in Duitsland, dat als doel heeft kleinere, betaalbaardere neutronenfaciliteiten te ontwikkelen. Dit soort projecten wordt actueel omdat verschillende onderzoeksreactoren in Europa hun einde levensduur naderen of om beleidsredenen sluiten, waardoor de beschikbare capaciteit onder druk staat.
Dat wijst meteen op de belangrijkste beperking van de techniek: het aantal geschikte neutronenbronnen wereldwijd is klein, de bouw en het onderhoud ervan zijn kostbaar, en onderzoekers moeten vaak weken tot maanden wachten en concurreren om bundeltijd te krijgen. Neutronradiografie zal daardoor voorlopig een gespecialiseerde onderzoeksfaciliteit blijven en geen routine-inspectiemethode die overal op de vloer van een fabriek staat, in tegenstelling tot röntgenapparatuur.
Wie werken eraan?
Het veld wordt gedomineerd door een beperkt aantal grote internationale onderzoeksfaciliteiten. In Zwitserland beschikt het Paul Scherrer Institute over de spallatiebron SINQ, met de gespecialiseerde neutronenbeeldvormingslijnen NEUTRA en ICON, en geldt als een van de meest actieve centra op dit gebied. In Frankrijk exploiteert het Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble een krachtige onderzoeksreactor met faciliteiten voor neutronenonderzoek, waaronder beeldvorming. In Duitsland levert de onderzoeksreactor FRM II in Garching, via het Heinz Maier-Leibnitz Zentrum, de ANTARES-bundellijn voor neutronenbeeldvorming.
In de Verenigde Staten zijn Oak Ridge National Laboratory (met de reactor HFIR en de spallatiebron SNS) en het NIST Center for Neutron Research belangrijke centra. Australië heeft met de OPAL-reactor en de DINGO-bundellijn van ANSTO een actieve faciliteit, en in Japan draagt de spallatiebron J-PARC bij aan neutronenonderzoek in de regio. In Zweden wordt de European Spallation Source (ESS) in Lund gebouwd, een grote Europese samenwerkingsfaciliteit die op termijn ook een instrument voor neutronenbeeldvorming (ODIN) moet krijgen.
Nederland speelt in dit internationale landschap een bescheiden rol via het Reactor Instituut Delft (RID) van de TU Delft, dat neutronenonderzoeksfaciliteiten voor materiaalonderzoek beheert; voor de meest actuele stand van zaken rond specifieke beeldvormingscapaciteit is het raadzaam de eigen kanalen van het instituut te raadplegen, aangezien de onderzoeksinfrastructuur in dit veld regelmatig wordt aangepast.