Faculté des sciences

Two non-destructive neutron inspection techniques : prompt gamma-ray activation analysis and cold neutron tomography

Baechler, Sébastien ; Dousse, Jean-Claude (Dir.) ; Jolie, Jan (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2002 ; no 1381.

Two non-destructive inspection techniques employing both cold neutron beams have been developed at the Swiss spallation source SINQ of the Paul Scherrer Institute: (1) prompt gamma-ray activation analysis (PGAA) and (2) neutron tomography. PGAA is a nuclear analytical method for identifying and quantifying simultaneously the elements contained in a sample. The technique consists in detecting... Mehr

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    Résumé
    Deux techniques d’inspection non-destructives utilisant des faisceaux de neutrons froids ont été développées à la source de neutrons SINQ de l’Institut Paul Scherrer : (1) l’analyse par activation neutronique prompte (PGAA) et (2) la tomographie neutronique. L’analyse par PGA (Prompt Gamma-ray Activation) est une méthode nucléaire qui permet de déterminer la concentration d’éléments présents dans un échantillon. Cette technique consiste à détecter les rayons gamma prompts émis par l’échantillon suite à des réactions de captures neutroniques. L’installation PGA à SINQ a été conçue, construite et testée par le prof. J. Kern et la Dr. M. Crittin. Cette thèse propose une nouvelle approche analytique, nommée la standardisation du k0, qui permet d’obtenir une meilleure précision dans la détermination des concentrations. Cette méthode a été utilisée tout d’abord pour mesurer la quantité de bore dans des solutions aqueuses. Puis, la mesure de matériaux de référence a prouvé la validité de la méthode pour des analyses multiélémentaires. Finalement, divers échantillons provenant de domaines très variés tels que l’archéologie, la géologie, la médecine, l’industrie nucléaire et la science des matériaux, ont été étudiés avec cette technique. Le PGAA s’est révélé particulièrement important pour l’analyse de l’hydrogène et du bore qui sont difficilement mesurables avec d’autres techniques. En outre, une lentille à neutrons a permis de déterminer la distribution bidimensionnelle d’éléments dans un échantillon provenant d’un réacteur naturel. La première partie de cette thèse décrit la technique et les résultats de l’analyse par PGA. Une installation de tomographie utilisant des neutrons froids a été développée en collaboration avec l’Université de Gand (Belgique) sur la même ligne de faisceau que le système PGA, les deux instruments étant utilisés de façon alternée. La tomographie neutronique est semblable à la tomographie par rayons X, laquelle est couramment utilisée dans les sciences médicales et l’industrie. Comme celle-ci, elle fournit des informations tridimensionnelles sur la structure des échantillons. Cependant, comme les processus d’interaction des neutrons et des rayons X avec la matière sont différents, les informations fournies sont complémentaires. Contrairement aux rayons X, les neutrons pénètrent facilement la plupart des métaux, ce qui permet d’améliorer le contraste des éléments légers. Par ailleurs, les neutrons froids rendent possible l’étude de matériaux métalliques encore plus denses. L’installation comprenait une table de rotation et un détecteur, lequel était composé d’un scintillateur et d’une caméra CCD. La résolution, qui était limitée par la divergence du guide de neutrons (L/D = 70), était d’environ 0.24 mm dans des conditions optimales. En outre, un dispositif permettant de sélectionner la vitesse des neutrons a été utilisé pour des expériences de radiographie et de tomographie nécessitant des faisceaux monochromatiques. Finalement, différentes études ont porté sur des objets provenant de la géologie, l’archéologie, la médecine dentaire, l’industrie nucléaire et l’aérospatiale. Cette technique et ses résultats font l’objet de la deuxième partie de cette thèse.
    Summary
    Two non-destructive inspection techniques employing both cold neutron beams have been developed at the Swiss spallation source SINQ of the Paul Scherrer Institute: (1) prompt gamma-ray activation analysis (PGAA) and (2) neutron tomography. PGAA is a nuclear analytical method for identifying and quantifying simultaneously the elements contained in a sample. The technique consists in detecting capture gamma rays emitted by the target material during neutron irradiation. The PGA facility at SINQ was designed, constructed, and tested by Prof. J. Kern and Dr. M. Crittin. In the present work, a new analytical approach, namely the k0- standardization, has been studied and applied to obtain higher accuracies in the determination of element concentrations. First, this method has been applied successfully for quantitative determination of boron in aqueous solutions. Then, standard reference materials were analyzed to assess the accuracy of the method for multielement determination. Finally, the technique was applied to various samples from archeology, geology, medicine, nuclear industry and material science. Of particular interest was the concentration determination of hydrogen and boron, two elements that are difficult to measure with other techniques. Besides, a neutron focusing capillary lens was used to measure element concentrations in two-dimensional array across the surface of a bulky sample from a natural reactor. A description of the PGAA technique and of some results is presented in the first part of this thesis. A new cold neutron tomography set-up was developed at SINQ in collaboration with the University of Ghent (Belgium) with the objective to complement the existing thermal neutron radiography station. The new device was set up at the same beam line as the PGA instrument so that the two facilities were employed alternately. Neutron tomography is similar to X-ray tomography, which is widely used in medicine and industry. It provides three-dimensional information on the inner structure of a sample. As a result of the differences between neutron and X-ray interaction mechanisms, complementary information is provided by the two techniques. Unlike X-rays, neutrons have the prominent ability to penetrate most metals easily while delivering a high contrast for many light elements. Besides, if cold neutrons are used, thicker sections of metallic materials can be inspected. The whole tomography system consisted of a rotation table and an imaging device, which was based on a scintillator converting the neutron beam to a light image viewed with a CCD camera. The achievable resolution was limited by the inherent divergence of the neutron guide (L/D = 70) and was about 0.24 mm under optimal conditions. Furthermore, a neutron velocity selector was used to perform radiography and tomography experiments with monochromatic neutron beams. Finally, examinations were performed on objects covering a broad range of application fields, such as geology, dentistry, archeology, nuclear industry and aerospatial industry. A detailed presentation of the cold neutron tomography set-up and some results obtained with this technique are given in the second part of this thesis.