การถ่ายภาพด้วยรังสีนิวตรอน (Neutron Radiography)

การถ่ายภาพด้วยรังสี (radiography) เป็นเทคนิคหนึ่งในการตรวจสอบโดยไม่ทำลาย (nondestructive testing, NDT) ซึ่งเป็นวิธีการในตรวจสอบคุณภาพ เพื่อหาข้อบกพร่องหรือตำหนิของวัสดุทางอุตสาหกรรม NDT มีเทคนิคในการตรวจสอบหลายวิธี เช่น การตรวจสอบด้วยสายตา (Visual Inspection) การทดสอบการซึมของของเหลว (Liquid Penetrant Testing) การทดสอบด้วยผงแม่เหล็ก (Magnetic Particle Testing) การทดสอบด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง (Ultrasonic Testing) การทดสอบด้วยกระแสไฟฟ้าไหลวน (Eddy Current Testing) และการถ่ายภาพด้วยรังสี (Radiographic Testing)
  รูปที่ 1 ภาพถ่ายรังสีเอ๊กซ์ ในงานวินิจฉัยด้านการแพทย์

การถ่ายภาพด้วยรังสี (radiography)

การถ่ายภาพด้วยรังสีเป็นการฉายลำรังสีผ่านชิ้นงานที่ต้องการตรวจสอบ รังสีจะถูกดูดกลืนทำให้มีความเข้มลดลงตามลักษณะของชิ้นงาน ได้แก่ ชนิด รูปร่าง และขนาดของวัสดุที่เป็นส่วนประกอบของชิ้นงาน เมื่อบันทึกปริมาณรังสีที่ผ่านชิ้นงาน จะทำให้ได้ภาพของโครงสร้างภายในที่ไม่สามารถมองเห็นด้วยตาเปล่า การถ่ายภาพด้วยรังสีที่รู้จักกันทั่วไป ได้แก่ การถ่ายภาพร่างกายหรืออวัยวะของเราด้วยรังสีเอ๊กซ์ สำหรับการวินิจฉัยทางการแพทย์


(a) หลอดรังสีเอ๊กซ์

(b) ต้นกำเนิดรังสีแกมมาแบบไอโซโทปรังสี
รูปที่ 2 ต้นกำเนิดรังสีสำหรับการถ่ายภาพด้วยรังสี
ีการถ่ายภาพด้วยรังสี โดยทั่วไปใช้รังสีเอ๊กซ์ที่ผลิตขึ้นจากหลอดรังสีเอ๊กซ์ (X-ray tube) หรือรังสีแกมมาจากไอโซโทปรังสี (radioisotope) ฉายลำรังสีผ่านชิ้นงาน แล้วบันทึกความเข้มของรังสีด้วยฟิล์มรังสีเอ๊กซ์ (X-ray film) เมื่อผ่านกระบวนการล้างฟิล์มแล้ว จะได้ภาพโครงสร้างภายในชิ้นงานปรากฏบนฟิล์ม เป็นภาพขาวดำแบบเนกาตีฟ
  รูปที่ 3 ส่วนประกอบในการถ่ายภาพด้วยรังสีเอ๊กซ์

การถ่ายภาพด้วยรังสีนิวตรอน (neutron radiography)

การถ่ายภาพด้วยรังสีนิวตรอน ใช้วิธีการฉายลำรังสีนิวตรอน ผ่านชิ้นงานที่ต้องการตรวจสอบ และบันทึกความเข้มของรังสีด้วยฟิล์มรังสีเอ๊กซ์เช่นเดียวกัน โดยมีฉากเปลี่ยนนิวตรอน (neutron converter screen) ทำหน้าที่แปลงรังสีนิวตรอนเป็นรังสีเอ๊กซ์ หรือรังสีบีต้า เนื่องจากฟิล์มรังสีเอ๊กซ์ไม่ไวต่อนิวตรอน

  รูปที่ 4 ส่วนประกอบในการถ่ายภาพด้วยรังสีนิวตรอน

ฉากเปลี่ยนนิวตรอน (neutron converter screen)

ฉากเปลี่ยนนิวตรอน เป็นวัสดุที่มีภาคตัดขวาง (cross section) หรือสัมประสิทธิ์ในการเกิดปฏิกิริยากับนิวตรอนได้สูง เมื่อดูดกลืนนิวตรอนแล้ว จะให้รังสีที่เกิดปฏิกิริยากับฟิล์มได้ดี เช่น รังสีอัลฟา รังสีบีต้า รังสีเอ๊กซ์ หรือรังสีแกมมา ตามคุณสมบัติของฉากเปลี่ยนนิวตรอนแต่ละชนิด

  ตารางที่ 1 คุณสมบัติของวัสดุที่ใช้ทำฉากเปลี่ยนนิวตรอน
ธาตุ
ปฏิกิริยา
ภาคตัดขวาง (barn)
ครึ่งชีวิต
ชนิดของรังสี
ลิเทียม
6Li(n,a)3H
941
prompt
a
โบรอน
10B(n,a)7Li
3838
prompt
a
แกโดลิเนียม
155Gd(n,g)156Gd
157Gd(n,g)158Gd
60900
254000
prompt
prompt
electron
electron
ดิสโปรเชียม
164Dy(n,g)165Dy
1646Dy(n,g)165m6Dy
800
2000
2.3 hour
1.26 min.
b
b
การถ่ายภาพด้วยรังสีนิวตรอน ให้ภาพถ่ายของโครงสร้างภายนชิ้นงาน ที่แตกต่าง จากการถ่ายภาพด้วยรังสีเอ๊กซ์ หรือการถ่ายภาพด้วยรังสีแกมมา เนื่องจากวัสดุแต่ละชนิด มีสัมประสิมธิ์ การดูดกลืน (absorption coefficient) ต่อรังสีนิวตรอน และรังสีเอ๊กซ์ต่างกัน ธาตุที่เลขอะตอมสูง จะดูดกลืนรังสีเอ๊กซ์ หรือรังสีแกมมาได้ดี ขณะที่สัมประสิทธิ์ การดูดกลืนรังสีนิวตรอน ไม่ขึ้นกับเลขอะตอม ของธาตุ ดังรูปที่ 5

รูปที่ 5 สัมประสิทธิ์การเกิดปฏิกิริยา ระหว่างธาตุกับรังสีเอ๊กซ์ และรังสีนิวตรอน

ต้นกำเนิดรังสีนิวตรอน

การถ่ายภาพด้วยรังสีนิวตรอน จำเป็นต้องใช้ต้นกำเนิดที่ให้รังสีความเข้มสูง เช่นเดียวกับการถ่ายภาพด้วยรังสีเอ๊กซ์ หรือการถ่ายภาพด้วยรังสีแกมมา ซึ่งการถ่ายภาพด้วยรังสีนิวตรอนโดยทั่วไป ใช้นิวตรอนจากเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัย โดยสร้างท่อนำนิวตรอนจากแกนเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูฯ ออกมายังตำแหน่งที่ใช้ในการถ่ายภาพ

เทคนิคการถ่ายภาพด้วยรังสีนิวตรอน

การถ่ายภาพด้วยรังสีนิวตรอนมีหลายเทคนิค ซึ่งแต่ละเทคนิคให้คุณภาพด้านความคมชัด (sharpness) ความเปรียบต่าง (contrast) เวลาที่ใช้ในการฉายรังสีนิวตรอน (exposure time) และเวลาที่ใช้ในกระบวนการถ่ายภาพแตกต่างกัน

การถ่ายภาพด้วยนิวตรอนโดยบันทึกภาพด้วยฟิล์มรังสีเอ๊กซ์ แบ่งออกเป็น 2 วิธี ได้แก่ การถ่ายภาพด้วยนิวตรอนโดยวิธีถ่ายตรง (direct method) และการถ่ายด้วยนิวตรอนโดยวิธีถ่ายทอด (transfer method)


รูปที่ 6 แกนเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัย ปปว-1/1
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ

การถ่ายภาพด้วยนิวตรอนโดยวิธีถ่ายตรง

การถ่ายภาพด้วยนิวตรอนโดยวิธีถ่ายตรง เป็นการถ่ายภาพโดยจัดวางชิ้นงาน ฉากเปลี่ยนนิวตรอน และฟิล์มบันทึกภาพ ที่ตำแหน่งถ่ายภาพในลำนิวตรอน ซึ่งจะได้ภาพถ่ายชิ้นงานบนฟิล์มรังสีเอ๊กซ์ เมื่อนำไปผ่านกระบวนการล้างฟิล์ม


รูปที่ 7 การจัดองค์ประกอบในการถ่ายภาพด้วยนิวตรอนโดยวิธีถ่ายตรง

การถ่ายภาพด้วยนิวตรอนโดยวิธีถ่ายทอด

การถ่ายด้วยนิวตรอนโดยวิธีถ่ายทอด เป็นการถ่ายภาพโดยจัดวางแต่เพียงชิ้นงาน และฉากเปลี่ยนนิวตรอน ไว้ที่ตำแหน่งถ่ายภาพในลำนิวตรอน หลังจากนั้น จึงนำฉากเปลี่ยนนิวตรอนที่มีกัมมันตภาพรังสี ประกบลงบนแผ่นฟิล์มบันทึกภาพ เมื่อล้างฟิล์มแล้ว จะได้ภาพถ่ายชิ้นงาน ตามปริมาณรังสีที่คายออกจากฉากเปลี่ยนนิวตรอน


รูปที่ 8 การจัดองค์ประกอบในการถ่ายภาพด้วยนิวตรอนโดยวิธีถ่ายทอด

เปรียบเทียบภาพถ่ายด้วยรังสี

ฮาร์ดดิสก์และดิสก์ไดรฟ์ขนาด 3 นิ้ว ของคอมพิวเตอร์ ถ่ายภาพด้วยรังสีเอ๊กซ์ เปรียบเทียบกับการถ่ายภาพ ด้วยรังสีนิวตรอน (คลิกที่รูปเพื่อดูภาพขยาย)

รูปที่ 9 ภาพถ่ายด้วยรังสีเอ๊กซ์บันทึกด้วยฟิลมรังสีเอ๊กซ์ Kodak AA
   
รูปที่ 10 ภาพถ่ายด้วยรังสีนิวตรอนโดยวิธีถ่ายทอดใช้ฉากดิสโปรเซียม ฟิลมรังสีเอ๊กซ์ Kodak AA
รูปที่ 11 ภาพถ่ายด้วยรังสีนิวตรอนโดยวิธีถ่ายตรงใช้ฉากแกโดลิเนียม ฟิลมรังสีเอ๊กซ์ Kodak MX

ตัวอย่างภาพถ่ายด้วยรังสีนิวตรอน

รูปด้านล่าง แสดงภาพถ่ายด้วยรังสีนิวตรอนโดยวิธีถ่ายตรง ใช้ฉากเปลี่ยนนิวตรอนแกโดลิเนียม ใช้ฟิล์มรังสีเอ๊กซ์ชนิด MX เป็นภาพถ่ายของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ หัวเทียน หัวต่อสายเครื่องพิมพ์ ต้นกาบหอยแครงเล็ก และดอกพุดขาว