Štefan Čerba

Diagnostiku pomocou ionizujúceho žiarenia je podľa Alana Waltara ( WNU SI 2015) možné vykonať vo viac ako 10 000 nemocniciach po celom svete a ročne sa vykoná okolo 30 miliónov záznamov. Z celkového počtu vyšetrení predstavujú 12 miliónov len pacienti v USA. Paradoxne 1 z 3 zdravotných úkonov vykonaných v  USA zahŕňa diagnózu pomocou počítačovej tomografie (CT), magnetickej rezonancie (MRI) alebo röntgenu. Takéto enormné využívanie zobrazovacej techniky viedlo k tomu, že americká vláda uvažuje o navýšení maximálnych dávok, ktoré pacienti za rok môžu dosiahnuť. Za najviac využívanú techniku sa považuje diagnostika pomocou röntgenu.

Zrejme každý z vás už absolvoval aspoň jedno vyšetrenie pomocou tohto zariadenia. Určite ste počuli aj o tom, že okrem aplikácii v medicíne sa röntgenové žiarenie používa aj v priemysle, ale málokto z vás asi tuší, že existuje zobrazovacia technika založená na podobných princípoch, ktorá využíva neutrónové žiarenie. Neutronová a röntgenová rádioagrafia sú nedeštruktívne a navzájom sa doplňujúce testovacie a zobrazovacie techniky. V oboch prípadoch prechádza žiarenie cez objekt, ktorého obraz chceme vytvoriť, a ožaruje fotografický film, ktorý je umiestnený na druhej strane objektu.

Niekoľko historických faktov

V porovnaní s röntgenovým žiarením, ktoré bolo objavené už v roku 1895, ide o relatívne novú techniku. Len objavenie samotného neutrónu trvalo skoro 50 rokov dlhšie (James Chadwick 1932). Prvá neutrónová snímka vytvorená pánmi Hartmutom Kallmannom a Ernstom Kuhnom vznikla koncom tridsiatych rokov minulého storočia.

Prvý neutrónový rádiograf zostrojil Carl Otto Fisher v roku 1946, avšak patent bol udelený za prácu Kallmanna a Kuhna. Kvalita týchto obrazov bola aj na tú dobu veľmi slabá, avšak v roku 1955 bol britským fyzikom Jamesom Thewlisom vytvorený prvý neutrónový obraz už „rozumnej“ kvality. Od šesťdesiatych rokov minulého storočia bolo vybudovaných niekoľko neutrónových zobrazovacích zariadení, najskôr v USA a vo Francúzsku, neskôr aj v Japonsku, Nemecku, v Južnej Afrike, vo Švajčiarsku, ale aj v iných krajinách sveta. V dnešnej dobe je kvalita záberov vytvorených pomocou röntgenovej a neutrónovej rádiografie podobná, ale obe techniky poskytujú informácie úplne iného charakteru. Hlavný rozdiel spočíva v princípe interakcie neutrónov a röntgenového žiarenia a v ich tienení.

V čom sa líšia neutróny od röntgenovho žiarenia?

Tienenie röntgenového žiarenia je priamo závislé od atomárneho čísla interagujúceho materiálu, pričom najväčšiu účinnosť majú ťažké prvky ako napríklad olovo, alebo aj prírodný urán, ktorý sa však z pochopiteľných dôvodov v bežnej praxi vyskytuje len zriedka. Tienenie neutrónov je špecifickejšie, prebieha v dvoch krokoch a vhodných je len niekoľko chemických prvkov.

Neutróny je najprv potrebné spomaliť, alebo odborne povedané zmoderovať, pomocou pružných rozptylových zrážok, aby ich výsledná energia bola čo najnižšia. Moderovanie neutrónov môžeme chápať ako ich brzdenie. Na rozdiel od röntgenovho žiarenia, sú na spomaľovanie neutrónov vhodné materiály s nízkym atomárnym číslom. Za najefektívnejšie „spomaľovače“ považujeme vodík a teda aj väčšinu zlúčenín tvorených vodíkom (voda) alebo aj uhlík vo forme grafitu a organických zlúčenín. Pokiaľ bol neutrón dostatočne spomalený, tak je ho možné zachytiť. Sú to vhodné bór, kadmium, ale aj voda, ktorú sme už vyššie zaradili do skupiny najlepších spomaľovačov.

Vráťme sa však k zobrazovaniu pomocou neutrónov. Uvedený princíp absorpcie je výhodné používať ak chceme neutrónové žiarenie tieniť za cieľom ochrany živých organizmov alebo zariadení. Pre zobrazovanie je však výhodné, aby vyšetrované prostredie príliš neabsorbovalo neutróny.

Prítomnosť organických materiálov alebo vody vo vyšetrovanom objekte predstavujú clonu pre neutróny, v extrémnom prípade sa na výslednom obrázku zobrazuje len čierna škvrna. Na druhej strane sú však kovové materiály alebo hliník skoro transparentné pre neutróny (tzn. nenastáva žiadna zrážka…). Pomocou neutrónovej rádiografie je preto možné získať vysoko kvalitné obrazy štruktúr, ktoré pomocou röntgenového žiarenia nie je možné presvietiť.

Z čoho sa také zariadenie skladá?

V prvom rade je potrebné zabezpečiť zdroj neutrónov. Keďže kvalita výsledného obrazu bez pochyby závisí od výdatnosti zdroja neutrónov, ideálnym riešením je jadrový reaktor, kde neutróny vznikajú priamo zo štiepenia. Lacnejšou alternatívou je zdroj využívajúci spontánne štiepenie niektorých ťažkých prvkov, ako je napríklad izotop kalifornium-252, alebo kombinovaný neutrónový zdroj Am-Be (amerícium-berílium). Existujú aj takzvané spalačné neutrónové zdroje pozostávajúce z urýchľovača a terčového materiálu. Neutróny vznikajú s rôznymi energiami, ale aby ich bolo možné využiť na rádiografiu, musia byť spomalené prechodom cez vrstvy moderátorov, alebo ako sme ich vyššie nazvali, spomaľovačov. Pre niektoré špeciálne aplikácie sa vyžadujú aj neutróny mierne vyšších energií, ktoré je možné dosiahnuť ohrevom materiálu moderátora, najčastejšie grafitu. V iných prípadoch sa zase vyžaduje, aby všetky neutróny mali rovnakú energiu, preto takéto prípady sa používajú špeciálne materiály.
Aby sa dosiahla najvyššia kvalita obrazu, je potrebné aby neutróny prechádzali vyšetrovaným objektom v rovnakom smere. Spomaľovanie neutrónov prebieha prostredníctvom rozptylových zrážok, po ktorých sú ale neutróny rozptýlené do všetkých smerov. Aby sa tomuto zabránilo, používa sa takzvaný kolimátor (usmerňovač) neutrónového lúča.

Na rozdiel od röntgenového žiarenia, musí byť pri neutrónovom zobrazovaní vyšetrovaný objekt položený čo najtesnejšie medzi zdroj neutrónov a plátno. Keďže neutróny nemajú elektrický náboj, ich zaznamenanie nie je priamočiarou záležitosťou.

Ich záchyt je možné dosiahnuť umiestnením materiálu, ktorý má vysokú schopnosť absorbovať tepelné neutróny. Najčastejšie sa používa gadolínium, bór, indium, prípadne zlato. Pri ďalšej metóde sa využívajú scintilačné materiály, ako napríklad LiF, na ktorých interakciou neutrónu dochádza k vzniku svetelného signálu. Táto metóda sa využíva pri neutrónových kamerách, kde sú svetelné záblesky prechodu neutrónu cez scinitlačnú optiku zaznamenávané CCD kamerou. Neutrónové kamery preto umožňujú vytváranie obrazu v reálnom čase.

Praktické aplikácie

Ako bolo vyššie uvedené, neutróny dokážu prejsť aj kovovými materiálmi, preto patrí neutrónové zobrazovanie medzi najvyužívanejšie nedeštruktívne techniky kontroly kvality. Využíva sa napríklad pri kontrole prúdenia kvapalín nepriehľadným potrubím alebo na kontrolu mazania mechanických zariadení.Neutrónové zobrazovanie môže slúžiť aj na odhalenie prítomnosti vodíka v kvapalinách alebo v miestach, kde jeho prítomnosť môže viesť k výbuchu. V poslednom období si táto technika našla uplatnenie aj v leteckom a vesmírnom priemysle.Neutrónové kamery dokážu odhaliť aj trhliny na úrovni mikrometrov a používajú sa na kontrolu kvality krídiel stíhačiek a na overovanie tesnosti palivových nádrží vesmírnych rakiet. Navyše neutrónová kamera umiestnená na rotačnom ramene dokáže zaznamenať veľké množstvo záberov z rôznych uhlov, pomocou ktorých je možné zostrojiť 3D obraz vnútornej štruktúry sledovaného objektu. Takéto zobrazovanie sa používa pri neutrónovej tomografii.

Výhodou neutrónového zobrazovania je, že dokáže vytvoriť obraz  vnútra objektov, ktoré sú pre röntgenové zariadenie nedostupné. Na druhej strane však má aj svoje nevýhody. Vyšetrovaná vzorka po interakcii s neutrónmi môže ostať rádioaktívna a v porovnaní s röntgenovým žiarením je vyvolané radiačné poškodenie živých buniek výraznejšie. Z uvedených dôvodov sa neutrónová tomografia na diagnostiku ľudského tela používa len v špeciálnych prípadoch. Uplatnenie si však nachádza pri študii anorganických a organických štruktúr, rastlín prípadne pozostatkov živých organizmov. Týmto sa môj dnešný blog v sérii o rôznych aplikácií jadrovej energie končí. Teším sa na Vás na budúce.

Zdroje obrázkov: