+ All Categories
Home > Documents > radiation , tomographie.pdf

radiation , tomographie.pdf

Date post: 24-Oct-2015
Category:
Upload: aityahiamassylia
View: 9 times
Download: 1 times
Share this document with a friend
Popular Tags:
14
Author's Accepted Manuscript Application of Neutron Tomography in Cul- ture Heritage Research T. Mongy PII: S0969-8043(13)00448-X DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.apradiso.2013.11.028 Reference: ARI6411 To appear in: Applied Radiation and Isotopes Received date: 31 July 2013 Revised date: 2 October 2013 Accepted date: 12 November 2013 Cite this article as: T. Mongy, Application of Neutron Tomography in Culture Heritage Research, Applied Radiation and Isotopes, http://dx.doi.org/10.1016/j. apradiso.2013.11.028 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting galley proof before it is published in its final citable form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain. www.elsevier.com/locate/apradiso
Transcript
Page 1: radiation , tomographie.pdf

Author's Accepted Manuscript

Application of Neutron Tomography in Cul-ture Heritage Research

T. Mongy

PII: S0969-8043(13)00448-XDOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.apradiso.2013.11.028Reference: ARI6411

To appear in: Applied Radiation and Isotopes

Received date: 31 July 2013Revised date: 2 October 2013Accepted date: 12 November 2013

Cite this article as: T. Mongy, Application of Neutron Tomography in CultureHeritage Research, Applied Radiation and Isotopes, http://dx.doi.org/10.1016/j.apradiso.2013.11.028

This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted forpublication. As a service to our customers we are providing this early version ofthe manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, andreview of the resulting galley proof before it is published in its final citable form.Please note that during the production process errors may be discovered whichcould affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journalpertain.

www.elsevier.com/locate/apradiso

Page 2: radiation , tomographie.pdf

1

Application of Neutron Tomography in Culture Heritage Research      

T. Mongy  

Atomic Energy Authority (AEA) of Egypt, Egypt Second Research Reactor (ETRR‐2), P. O. Box  13759, Abo Zaabal, Cairo, Egypt 

Email: [email protected] Phone: +2 0111 2247943 

 

Abstract: 

Neutron  Tomography  (NT)  investigation  of  Culture Heritages  (CH)  is  an  efficient  tool  for understanding the culture of ancient civilizations.   Neutron  Imaging (NI)  is a‐stat‐of‐the‐art non‐destructive tool in the area of CH and plays an important role in the modern archeology. NI technology can be widely utilized in the field of elemental analysis. 

 

At Egypt Second Research Reactor (ETRR‐2), a collimated Neutron Radiography (NR) beam is employed  for neutron  imaging purposes. A digital CCD camera  is utilized  for recording  the beam  attenuation  in  the  sample.  This  helps  for  detection  of  hidden  objects  and characterization of material properties. Research activity can be extended to use computer software  for  quantitative  neutron  measurement.  Development  of  image  processing algorithms can be used to obtain high quality images.   

In  this work,  full  description  of  ETRR‐2 was  introduced with  up  to  date  neutron  imaging system as well. Tomographic investigation of a clay forged artifact represents CH object was studied  by  neutron  imaging  methods  in  order  to  obtain  some  hidden  information  and highlight  some  attractive  quantitative  measurements.  Computer  software  was  used  for imaging processing and enhancement. Also Astra image 3.0 Pro software was employed for high precise measurements and imaging enhancement using advanced algorithms.     

This work increased effective utilization of ETRR‐2 Neutron Radiography/Tomography (NR/T) technique in culture heritages activities.  

Key Word: Neutron Imaging, Neutron Tomography, Neutron Radiography, Culture Heritage.  

1. Introduction: 

ERRR‐2 Neutron Radiography (NR) facility was commissioned  in 1999. The first experiments carried out were determination of characterization parameters, such as, flux map, n/γ ratio, Cd ratio and spatial resolution. The results were compared with MCNP calculations. Internal details were detected for different samples using nitrocellulose film. Photographic film was replaced  by  nitrocellulose  film  to  get  high  quality  image  formation.  A  lot  of  experiments were  performed  toward  scientific  research  and  quality  assurance  as  well.  Welding inspection, measuring water permeability in building materials and imaging enhancement by scattered neutron deblurring were the major experiments achieved in the past.   

Fast Neutron  Resonance  Radiography  (FNRR) was  also  introduced  using  portable  neutron source. The characterization parameters were determined for the neutron source. Detection of  hydrogenous  components  was  implemented  to  study  water  permeability  in  building materials  using  quantitative  FNRR  (T.  Mongy,  2011).  Capabilities  of  underground  water migration  in  soil  were  also  investigated  and  implemented  to  preserve  cultural  heritage monuments.   

Page 3: radiation , tomographie.pdf

2

Gamma ray radiography (γR) technique was used to inspect welding materials. NR technique was  compared with  γR  in  2011.  Dynamic  System  Neutron Radiography  (DSNR) was  pre‐commissioned  using  DELCam  camera.  High  definitions,  high  resolution  and  high  quality images were obtained using imaging processing technique.  

2. Description of ETRR‐2:  

ETRR‐2  is an open pool‐type  research  reactor with variable core arrangement  (F. Esposto, 1999).  The  core power  is 22 MWth  cooled by  light water, moderated by water  and with beryllium reflectors. The design concept is based on versatile utilizations, It has been mainly designed for:  

1‐ Basic and applied research in reactor physics and nuclear engineering, 2‐ Neutron radiography for research and industrial purpose, 3‐ Radioisotope production for medical and industrial purposes, 4‐  Beam  holes  experimentation  for  neutron  scattering  experiments  and  neutron radiography, 5‐ Material testing, 6‐ Material irradiation, 7‐ Activation analysis, 8‐ Training of scientific and technical personnel.   

ETRR‐2 has  four neutron beams  and  a  thermal  column  as  the main  experimental devices allow neutron sources outside the reactor core. The four neutron beams tubes are:  

1‐ The Neutron Radiography Facility, 2‐ The Radial Beam Tube, 3‐ The Tangential Beam Tube, 4‐ The Underwater Neutron Radiography Facility.  

Figure  1  represents  the  reactor  tank  with  its  internals.  The  Figure  shows:  �  passing mechanism, � pool cooling pipe, � thermal column, � beryllium block, � tangential tube, � guide  box,  �  control  rods,  �  chimney,  �  core  cooling  system  pipe,  �  pool  cooling  system diffuser,  �  fuel  elements,  �  reflectors,  �  irradiation  grid,  �  irradiation  chamber  shield,  � suction box, � radial tube and � Under Water Neutron Radiography (UWNR) tube.  

3. State of the Art Neutron Imaging Facility at ETRR‐2:  

The commissioning of state of the art new Neutron Imaging (NI) system is started at the end of March 2012 under the frame work of TC communication between AEA and IAEA. The lay out of the system  is shown  in Figure 2. The NI system was  installed to replace static based film neutron radiography.               

Page 4: radiation , tomographie.pdf

3

     

             

Figure 1. ETRR‐2 tank with its internals.    

 

Figure 2. Layout for neutron radioscopy system with a scintillation screen and cooled CCD camera as used in ETRR‐2. 

Page 5: radiation , tomographie.pdf

4

For  NI,  the  neutrons  are  attenuated  and  a  sufficient  amount  of  light  is  produced  by  a scintillation  screen  that detected with  a CCD  camera.  The  scintillation  screen used had  a composition of LiF:ZnS:Cu  (L.G.I. Bennett, et al., 2001). The neutrons  interact with  lithium due  its  large  cross  section  to produce  an  alpha  particle  (4He++)  and  tritium  (3H)  daughter products. The energy  from  alpha particle  is deposited  into  zinc  sulfide  (ZnS)  and efficient phosphor  producing  visible  light.  The  copper  element  acts  as  a  wave  length  shifter  to produce light in the yellow‐green region, which has an average wavelength of 525 nm.  

The use of CCD camera system has an advantage of tomography experiments possibility. The CCD camera with its lenses, mirror and integrated cooling unit are housed in a shielded light tight  aluminum  box.  Table  1  summarizes  the  CCD  camera  system  with  technical specifications.  

Camware  program  was  employed  for  camera  control  and  image  acquisition.  Image acquisition and image processing was accomplished by using ImageJ. VGStudioMAX software from Volume Graphics was used  for data processing, visualization and animation of  image capturing. For image reconstruction, Octopus software was also applied.  

Table  2  summarizes  the  used  software  for  data  reconstruction  with  specific  technical functions.   

Table 1 Equipment used for NT in ETRR‐2 with specifications  

Equipment  Technical specifications PCO2000 CCD thermo‐electrical cooling camera system compact with power supply         Lenses Mirror  Scintillator Light tight box 

‐ High resolution (2048 x 2048 pixel), ‐ 14bit dynamic range, ‐ Image rate of 14.7 fps @ full 

resolution, ‐ Low noise, ‐ Low dark current, ‐ Pixel size (hor. x ver.) is 7.4 x 7.4 

μm2, ‐  4GB camera memory. 

 Nikon, 50 mm focal length. 

‐ 45 degree, ‐ high reflectivity polished silicon. 

6LiF+ZnS. Aluminum.    

Table 2 Software for data reconstruction with specific functions.  

Software  FunctionsCamware    ImageJ     

‐ Camera control, ‐ Image acquisition and archiving in 

various file format.  

‐ Display. Edit, analyze, process, save, print 8bit color and gray scale, 

‐ Read image with different image formatting.  

Page 6: radiation , tomographie.pdf

5

LabVIEW  Octopus            VGStudioMax      

‐ Date acquisition,‐ Motion control.  ‐ Image processing, ‐ Image reconstruction, ‐ Image analysis, ‐ Single slice evaluation, ‐ Tuning reconstruction parameters 

without processing the complete volume, 

‐ 3D viewer, ‐ Read image with different image 

formatting.  ‐ 3D image processing and animation, ‐ Volumetric Data analysis and 

measurement, ‐ High quality inner structure 

visualization, ‐ Volume element characterization.  

 

4. Application of NT in Culture Heritage Research:  

The  experiment  was  carried  out  at  ETRR‐2  Neutron  Radiography/Tomography  Facility (NR/TF).  The  facility  characterization  parameters  are  summarized  in  table  3  (M.  A.  Abou Mandour et al., 2007).  

Table 3. Characterization parameters of ETRR‐2 NR/TF  

Parameters  Characterizations Inlet aperture (D) of the collimator Outlet aperture of the collimator (beam opening at sample position) Source to object distance (L)  L/D (resolution parameter) Thermal flux at sample position (nth) (nth /γ) ratio Cd ratio(a)       

3 cm 22 cm  351.8 cm 117.3 1.5 * 107 neutrons/cm2s 105 n.cm‐2.mR‐1 10 

a Ratio between total and fast fluxes.  

Figure 3  illustrates scheme diagram of neutron  radiography beam  tube showing collimator inlet aperture (D) and source to object distance (L).     

 

     

Figure 3. Scheme diagram of neutron radiography beam tube  

Page 7: radiation , tomographie.pdf

6

A  simulated  forged  pottery  Peruvian  artifact,  shown  in  Figure  4,  provided  by  IAEA  was scanned to enhance  reconstructed  image  formation  resulting  from Octopus  reconstruction software. For a  three dimensional  tomographic  reconstruction,  transmission  images of  the artifact were taken from different view angles (1.2 degree per projection). A rotational table is  driven  by  a  stepper motor  connected  to  a  computerized motion  control  system,  was installed at the sample position. The number of projections to full scan the artifact with 360 degree were 300 projections. To synchronize the Camware software (CCD camera software) and  the  rotational  table;  a  new  software  based  on  Copley  Controls macro  language was designed and used.   

Reasonable  exposure  time was  adjusted  at  10  Sec. per projection with 10 Mwatt  reactor power operation,  it means about one hour was  sufficient  to  full  scan  the object  including image processing correction (dark current and flat field correction).  

Dark current images are offset images taken at the same irradiation time (10 sec.) averaged over 10  images,  in  this experiment. Flat  field  images are open beam  images  taken at  the same irradiation time (10 sec.) averaged over 10 images.  

To  correct  recorded beam  intensity  inhomogeneities,  image normalization was  calculated, by Octopus software, according to equation (1):  

Normalized image = (Tomography image – Average dark current images)/ (Flat field image –                                                                                                    Average dark current images)                            (1)     For dark and flat field  (open beam)  images, the correction was done by applying a median filter over 10 images by Octopus software. For each pixel the median pixel value (within the 10  values of  the 10  images) was  taken  to obtain  the  resulting dark  current  and  flat  field (open beam) images.   

             Figure 4. The Peruvian forged pottery artifact on its scanning position at the beam opening. The 

artifact has 26 cm height, 12 cm width and 9 cm side.   

As  chargeless  particles,  neutrons  can  deeply  penetrate  objects  and  non‐destructively provide  information  about  the  inner  structure  and  composition  of materials  (Chadwick, 1932).  The  resultant  3D  images  reconstructions  of  the  artifact  after  applying  imaging processing enhancement by Octopus are shown in Figure 5.   

Page 8: radiation , tomographie.pdf

7

               

 

Figure 5. Image reconstruction and enhancement using Octopus software.  

For  imaging enhancement  resulting  from Octopus, Astra  Image 3.0 Pro was used. Astra  is image  processing  software  used  for,  debluring,  sharpening  and  analyzing  3D  image formation.   

To extract  features  from  the  scanned  article, Astra  Image Pro was used by  implementing Point Spread Function  (PSF), Cauchy  type, with 2.0 PSF size and 20  iterations, high quality results  were  provided.  Figure  6  shows  3D  image  reconstruction  and  enhancement  by Octopus  software  (left).  Right  one  represents  Imaging  enhancement  of  the  article  by Maximum Entropy Dconvolution tool in Astra image Pro.    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

Figure 6. Imaging enhancement using Astra Image Pro.   

 

Page 9: radiation , tomographie.pdf

8

From the figure, enhanced, sharp and high quality image we obtained by Astra Image Pro. A lot of protrusions have appeared, i.e., the article is full of unlimited protrusions.   

Astra  Image 3.0 Pro  is powerful software  to calculate  line profile and  image statistics. The scanned line profile (AA), in Figure 7, was plotted for the 3D image formation resulting from Octopus  reconstruction  software.  The  enhancement  was  carried  out  by  the  former mentioned tool using Astra  Image Pro (right  image  in Figure 7). The  line profile  is shown  in Figure 8.  

Astra Image pro has function of calculating image statistics, such as the minimum (minimum pixel value in the image) and maximum (maximum pixel value in the image), the mean (the mean of all pixels in the image) and the standard deviation (Std. Dev.). From the definition, the standard deviation of all pixels in the image measures how much variation or dispersion from the mean. A low standard deviation indicates that the data points tend to be very close to the mean; and hence high quality image formation is obtain with noise suppression (Ian T. Young et al., 2007), on the other hand, high standard deviation indicates that the data points are spread out over a  large  range of values, and hence weak  image  formation  is obtained with presence of noise.  

The Std. Dev. of the red (R), green (G) and blue (B) colors are tabulated in table 4. There is no image degradation from Std. Dev. view point. 

 

                 

Figure 7. Comparison of enhanced Image reconstruction by Octopus (left) and imaging enhancement technique by Astra Image Pro (right). 

         

Page 10: radiation , tomographie.pdf

9

    

 

Figure 8. Line profile of the scanned line AA of Figure 7 (the conversion factor is 0.28 mm/pixel). 

 

Table 4 Std. Dev. of enhanced image reconstruction by Octopus and Astra Image pro.  

Software  Color  Std. Dev. Octopus  R 39.330   G 59.090 

B 72.877Astra Image pro  R 39.330   G 59.090   B 72.877 

  

From Figure 7, the article side measured value (9 Cm) represents by pixel number from 125 to 450.  i.e., each pixel represents 0.28 mm. Table 5 represents actual, experimental values and percentage of error for different dimensions of article side view that shown in Figure 9.  

  

          

 

Figure 9. Different locations of actual and experimental values of article side view.  

Page 11: radiation , tomographie.pdf

10

Table 5 Actual, experimental values and percentage of error for side view locations of Figure 8. 

  Location Actual Values (Cm) Experimental

Values (Cm) Percentage of error (%)

Line1   4.00   4.10 ‐2.50 (Calculated) Line 2  7.00  6.92 1.40  (Calculated) Line 3  8.00  8.10 ‐1.25 (Calculated) Porosity (1)  Not Measured (NM) 0.266 ±1.95 (assuming Max. error) Porosity (2)  NM  0.212 ±1.95 (assuming Max. error) Grit (1)  NM  0.12 (height)

0.028 (Radius) NM±1.95 (assuming Max. error) 

Grit (2)  NM  0.86 (height)0.084 (Radius) 

NM±1.95 (assuming Max. error) 

  

3D surface plot was created by the software to find out some detail hidden information. To measure the depth of  the  two porosities 1 and 2 of  the enhanced  image  formation of  the article,  the  rectangular  selection  tool  is used  to draw  surface plot of  the selected  surface. The surface plot gray level ranges from 64.67 to 255, this gray level profile represents 0.5 cm depth (measured value). Thus the conversion factor is 0.002 cm/ gray level. Figure 10 shows the selected rectangular surface to obtain 3D surface plot.  

   

      

 Figure 10 3D surface plot of the rectangular selected surface. 

 The distinction of NT  for detection of presence of  air  voids  inside material  (porosities)  is pronounced,  as  clearly  shown  in  Figure  9.  Surface  plots  tool was  employed  for  the  two porosities 1 and 2 to  investigate the porosities shapes. Figure 11 shows 3D surface plot of porosities 1 (upper) and 2 (down). Referring to the porosity 1, the deepest depth was found to be 2.66 mm and for the porosity 2 it is 2.12 mm.  

Page 12: radiation , tomographie.pdf

11

From  Figure  11,  valuable  notifications must  be mentioned.  First,  the  porosity  1  is  not  a normal  void;  it has  a prominence of height 0.665 mm.  Second,  the porosity 2  is differing from porosity 1 and it has an egg‐shaped with concave depth.  

The  same  tool was used  to explore  features of grit 1 and 2 of Figure 9. The  surface plots were drawn showing 1.2 mm and 0.86 mm heights  for the grits 1 and 2 respectively. Also, the line profiles were drawn to find out grits radius (the conversion factor is 0.28 mm/pixel), it was found to be 0.28 and 0.84 mm respectively.  

  

 

                   

                  

Figure 11 3D surface plot of porosities 1 (upper) and 2 (down)   

For high quality  3D  animation  and  visualization, VGStudioMax  software was used  for  the creation  of  impressive  animation  of  the  article  from  volumetric  data  set  imported  from Octopus  software.  Videos  from  the  slice  image  stacks  are  created  providing  another possibility  to  easily  display  and  share  analysis  results.  Figure  12  shows  VGStudioMax 

Page 13: radiation , tomographie.pdf

12

providing high accuracy determination features on the basis of voxels data set from Octopus software.   

The  functionality  of  VGStudio  MAX  for  volumetric  data  analysis  and  animation  was implemented. For back void investigation, 3D surface plot tool was used again to explore the void shape of the selected area in Figure 12. The intensity of each pixel determines its height in three‐dimensional space. Figure 12 shows the 3D surface plots. The void extends through the article thickness.    

         

 

Figure 12 Back void surface plots of the article.  

5. Conclusions:  

Neutron  Tomography  (NT)  has  been  developed  as  a mature  scientific method  in  ETRR‐2. Non‐destructive  investigation of Culture Heritages  (CH)  is  important  for understanding  the culture  of  ancient  civilizations.    Neutron  Tomography  (NT)  is  a‐stat‐of‐the‐art  non‐destructive tool in the area of CH, and plays an important role in the modern archeology.  

6. Acknowledgements:  

The author would  like  to express his deep  thanks  to Nikolay Kardjilov, Helmholz  Institute, Germany, for his assistance and advices. Also, a great thanks from deep heart to D. Ridikas, IAEA, for facilitating all difficulties in financial supports.   

Page 14: radiation , tomographie.pdf

13

References:  

F. Esposto, 1999. Characterization of the neutron beam facilities, 0767‐1330‐3TABL‐702‐1O.  Ian T. Young, et al., 2007. Fundamentals of  Image Processing Handbook. Delft University of Technology. L.G.I.  Bennett,  et  al.,  2001.  Neutron  Radioscopy  Inspection  of  Composite  Flight  Control Surfaces. 10th Asia‐Pacific Conference on Non‐Destructive Testing. M. A. Abou Mandour, et al., 2007. Characterization and Application of the Thermal Neutron Radiography  Beam  in  the  Egyptian  Second  Experimental  and  Training  Research  Reactor (ETRR‐2). Hindawi Publishing Corporation, Science and Technology of Nuclear  Installations Vol. 1. T. Mongy and Mohamed A. Gaheen, 2011. Development of Neutron Radiography Facility for Detection  of  Hydrogenous  Components  Using  Recoil  Proton  Technique.  Arab  Journal  of Nuclear Sciences and Applications, 44 (1), 322‐329.  

Research Highlights This manuscript highlighted the following:

1- Neutron tomography is an efficient tool in the field of cultural heritage research,

2- The full description of the ETRR-2 and state-of-the- art neutron tomography system,

3- Implementation of using computer software package in image reconstruction and imaging processing,

4- Precise measurements that was impossible by traditional methods,

5- The manuscript opens the door to investigate ancient Egyptian treasures.


Recommended