В ОИЯИ с 2014 года развивается межлабораторный проект TANGRА (TAgged Neutrons and Gаmma RAys), установки которого работают на основе метода меченых нейтронов (ММН). Сейчас в рамках проекта создается прототип мобильной установки для определения концентрации углерода в почве, которую планируется использовать на карбоновых полигонах – специальных территориях, предназначенных для разработки и испытания методик измерения выбросов и поглощения парниковых газов.
Метод меченых нейтронов был разработан в 60-х годах, но долгое время его распространению препятствовало то, что нейтроны можно было получить лишь на стационарной аппаратуре, устанавливаемой на ускорителях. В 2000-х годах метод ММН получил новый импульс – в то время появились первые компактные переносные нейтронные генераторы, которые производят меченые нейтроны. Для примера, ускоритель Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ, на котором проводились первые опыты по изучению ММН, занимает башню высотой в 6 этажей, а переносной нейтронный генератор имеет размер 30 см и вес 8 кг.
В портативном нейтронном генераторе происходят столкновения ядер двух изотопов водорода. Дейтроны, ускоренные до энергии около 100 кэВ, сталкиваются с тритиевой мишенью и рождают нейтроны c энергией 14 МэВ. В реакции «дейтерий – тритий» выделяется не только нейтрон, но и альфа-частица (ядро атома гелия 4He), которая летит в противоположном по отношению к нейтрону направлении, практически на 180°.
«Если зарегистрировать α-частицу, то можно узнать направление, в котором полетел образовавшийся с ней нейтрон. Эта процедура называется мечением нейтрона. Меченый нейтрон, попадая в вещество, индуцирует реакции неупругого рассеяния, в которых возбуждение ядра снимается путем испускания гамма-квантов. Энергетический спектр γ-квантов каждого элемента уникален и служит своеобразными «отпечатками пальцев», позволяющими идентифицировать тот или иной элемент».
Гамма-кванты регистрируются сцинтилляционными гамма-детекторами – устройствами, излучающими свет при поглощении ионизирующего излучения. Относительные концентрации элементов, входящих в состав вещества, определяются по соотношению между интенсивностями пиков в спектре γ-квантов.
С помощью ММН возможно определить местонахождение объекта внутри твердого тела в 3D: например, можно определить, где конкретно внутри куска кимберлита находится алмаз, и даже узнать его размер.
«Самое замечательное свойство ММН состоит в том, что можно получить информацию и о третьей пространственной координате, направленной вдоль направления полета нейтрона. Для этого определяется время пролета, которое проходит между попаданием α-частицы в альфа-детектор и приходом γ-кванта из объекта досмотра в соответствующий гамма-детектор. Зная время пролета, можно вычислить расстояние до той точки, из которой вылетел γ-квант, поскольку скорость нейтрона постоянна и равна 5 см/нс».
«Обычные источники нейтронов испускают их во все стороны, как обычная лампочка испускает фотоны. В методе меченых нейтронов объект досмотра облучается как бы набором узких нейтронных пучков, своеобразным аналогом лазерных указок».
ММН выгодно отличается от многих других методов элементного анализа тем, что он является дистанционным, неразрушающим и не требует никакой пробоподготовки: например, очистки, сушки или дробления пробы.
Заместитель директора Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ по научной работе и руководитель проекта TANGRА Юрий Копач рассказал, что проводить прикладные исследования с высокой точностью помогает решение фундаментальных задач проекта. В фундаментальную часть TANGRА входят, во-первых, измерения реакции неупругого рассеяния быстрых нейтронов на различных ядрах. Процесс неупругого рассеяния нейтрона происходит, когда нейтрон, как правило, с энергией в несколько МэВ, после попадания в ядро переводит его в возбужденное состояние, после чего ядро снова испускает нейтрон, уже с меньшей энергией. В такой реакции нейтрон теряет часть энергии, передавая ее ядру, а ядро в возбужденном состоянии, в свою очередь, испускает гамма-кванты или другие частицы.
«Для того чтобы метод работал, нужно хорошо знать энергии характеристических гамма-квантов для каждого элемента, а также вероятности их испускания. Измерение этих вероятностей является одной из основных задач проекта «Разработка методики позиционно-чувствительного нейтрон-гамма элементного анализа», который стал одним из победителей среди заявок на конкурс Российского научного фонда 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами». Второе направление фундаментальных исследований в проекте TANGRА – это измерение угловых корреляций нейтронов и гамма-квантов. Последние испускаются неизотропно – неравномерно в пространстве, и у них есть некоторая угловая зависимость от направления налетающего нейтрона».
К реализуемым сейчас прикладным применениям ММН относится задача по определению углерода в почве. Она решается совместно с участником коллаборации TANGRA – ООО «Диамант» (г. Дубна), которое активно использует ММН для разных целей. ОИЯИ и эта коммерческая организация будут совместно создавать прототип мобильной установки для исследований почвы в полевых условиях.
ММН в настоящее время представляется едва ли не единственным надежным и простым способом определения массовой концентрации химических элементов на больших территориях. При использовании «стационарных» методов химического анализа почвы необходимо брать пробы во многих местах и усреднять их результаты. «И все равно данные выходят ненадежными, поскольку невозможно пройти поле целиком таким способом. А наша установка, надеемся, будет способна проехать все поле и предоставить полные данные по нему», — заключил Юрий Копач. Он добавил, что в мире уже действует прототип мобильной установки на быстрых, но не меченых нейтронах. «Мы идем, по сути дела, в том же направлении», — пояснил ученый.
Работы проекта TANGRA по определению углерода в почве, проведенные в лабораторных условиях, показали обнадеживающие результаты.
«В лабораторных условиях мы можем определять процентное содержание углерода в почве. Однако то, как применяемый нами метод будет работать в полевых условиях, нужно проверять на прототипе мобильной установки».
Юрий Копач пояснил, что в прибор должна быть встроена система геопозиционирования, поскольку наибольший интерес почвоведов и агрономов представляет исследование концентрации углерода на большом пространстве, пусть и не с такой точностью, как это можно определить на одном маленьком участке. Главная цель здесь – быстро проводить измерения на большой площади. Планируется, что к работам в поле подключатся почвоведы, которые смогут указывать территории для поиска углерода, и, возможно, других химических элементов.
В 2021 году ООО «Диамант» уже проводило пилотные измерения в полевых условиях на одном из первых в России карбоновых полигонов в Калужской области. Исследователи убедились, что установка может работать в режиме движения по полю; были оценены значения точности измерения концентрации углерода.
По результатам измерений содержания углерода в почве в лабораторных условиях с помощью ММН на TANGRA вышла статья, опубликованная в журнале «Письма в ЭЧАЯ», «Определение концентрации углерода в почве с использованием метода меченых нейтронов» авторов: В. Ю. Алексахин, Е. А. Разинков, Ю. Н. Рогов, А. Б. Садовский, М. Г. Сапожников, И. Д. Дашков, Д. Н. Грозданов, Ю. Н. Копач, В. Р. Ской, Н. А. Федоров. В статье оцениваются возможности прототипа установки для определения элементного состава почвы методом меченых нейтронов, представлена разработанная процедура градуировки установки и результаты измерения проб почвы и градуировочных проб, которые были измерены не только методом ММН, но и методом химического анализа – этот метод можно считать эталонным для определения состава химических элементов в образце, однако для его использования требуется предварительно подготовить пробу, стереть ее практически в порошок. Для массовой концентрации углерода исследователи получили значения точности измерений с помощью нового метода.
Помимо измерений для решения проблемы глобального потепления, ММН можно использовать для различных промышленных применений. При помощи метода можно определять содержание 24 элементов таблицы Менделеева: Na, Mg, C, N, O, F, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Zr, Pb, Sn, Bi. Именно эти элементы дают отчетливые пики на энергетических спектрах γ-квантов.
Очень востребованы оказались применения ММН в металлургической, угольной и цементной промышленности. Во всех этих областях контроль сырья на конвейере решался отбором проб и последующим химическим анализом, на что уходило не менее нескольких часов. Поточные анализаторы ММН позволяют получать информацию об элементном составе сырья на конвейере каждую минуту без какого-либо отбора пробы.
В США метод применялся даже в исследованиях по определению элементного анализа животных и человека in vivo (в естественных условиях). Так, в Брукхэйвенской национальной лаборатории облучали 20 добровольцев в восьми точках тела, измеряя концентрацию азота, углерода и других элементов в организме человека. Изучение состава тела проводится для оценки физического развития человека, его адаптации к среде обитания, а также к условиям профессиональной и спортивной деятельности, таким как экстремальные виды спорта, работа в условиях гипогравитации, гипоксии, недостаточной инсоляции и пр. В клинической медицине исследование состава тела связано с диагностикой и оценкой эффективности лечения отдельных болезней, таких как ожирение и остеопороз.
