O que é a neutrongrafia?

What is neutron imaging?

Resumo

Os nêutrons são constituídos de partículas fundamentais, fazem parte do núcleo dos elementos químicos da tabela periódica e estão presentes em tudo o que conseguimos medir e observar no universo. Através de uma técnica denominada neutrongrafia, os nêutrons podem ser utilizados para geração de imagens e, assim, inspecionar o interior de objetos sem que ocorra danos à estrutura. Essa técnica se enquadra na categoria de ensaios-não-destrutivos. Utilizando uma fonte de nêutrons térmicos que incide no material estudado e com o auxílio de um detector apropriado, podemos obter uma imagem que revela detalhes do interior do objeto a ser estudado. Trata-se de uma técnica complementar à conhecida radiografia, que obtém imagens incidindo ondas eletromagnéticas na faixa dos raios X. Apresentamos neste artigo uma visão geral da técnica de obtenção de imagens através da neutrongrafia. Pretendemos apresentar qualitativamente os aspectos fundamentais da técnica, também chamada de radiografia de nêutrons, com importantes aplicações na indústria e cujo conhecimento é relevante à formação continuada de professores.

Palavras-chave:
Nêutrons; neutrongrafia; radiação; imagem.

Abstract

Neutrons are composed of fundamental particles, are part of the nuclei of the chemical elements in the periodic table, and are present in everything that we are able to measure and observe in the universe. Through a technique known as neutron imaging, neutrons can be used for image generation and thus inspect the interior of objects without causing damage to their structure. This technique belongs to the category of non-destructive testing methods. By using a source of thermal neutrons incident on the material under investigation, together with an appropriate detector, it is possible to obtain an image that reveals details of the internal structureof the object. Neutron imaging is a complementary technique to well known conventional radiography, which produces images by irradiating materials with electromagnetic waves in the X-ray range. In this article, we present an overview of the image formation process associated with neutron imaging. We aim to qualitatively discuss the fundamental aspects of this technique, also referred to as neutron radiography, which has important industrial applications and whose understanding is relevant for the continuing education of teachers.

Keywords:
Neutrons; neutron radiography; radiation; image.

1. Introdução

Os nêutrons são partículas subatômicas que, junto com os prótons, formam o núcleo atômico dos átomos [¹]. São compostos por dois quarks down e um quark up, o que resulta em uma carga elétrica total igual a zero. No interior dos nêutrons e dos prótons, os quarks são mantidos coesos pela força nuclear forte, mediada pelos glúons. Dentro do núcleo, a força forte residual, resultante da interação via glúons entre quarks de diferentes nêutrons e prótons, supera a repulsão elétrica entre os prótons, mantendo o núcleo coeso. É essa força que assegura a estabilidade dos núcleos atômicos e permite a existência de elementos químicos mais pesados e complexos – e, consequentemente, a formação da matéria.

A descoberta do nêutron foi feita por James Chadwick em 1932, por meio de experimentos envolvendo o bombardeamento de partículas alfa em berílio [², ³]. O berílio emitia uma “radiação neutra”, que inicialmente se imaginava ser raios X ou gama, mas era na verdade um feixe de partículas neutras, chamadas posteriormente de nêutrons. Em reconhecimento a essa contribuição, Chadwick foi agraciado com o Prêmio Nobel de Física em 1935. O surgimento de uma importante descoberta, nesse caso um marco fundamental na compreensão da estrutura atômica e da física nuclear, abre caminhos para uma série de novas possibilidades de estudos e pesquisas, impulsionando o avanço do conhecimento. Atualmente, nêutrons são utilizados em aplicações diversas: produção de energia em usinas nucleares [⁴], fabricação de radiofármacos [⁵] e em pesquisa de materiais [⁶, ⁷]. Essas aplicações têm contribuído significativamente para o desenvolvimento tecnológico em diferentes áreas. Neste artigo, abordaremos mais uma de suas aplicações: a radiografia por nêutrons, chamada de neutrongrafia [⁸, ⁹]. Essa técnica utiliza o bombardeamento com nêutrons para inspecionar o interior de materiais e estruturas que, de outra forma, não poderiam ser examinadas sem serem danificadas.

O nêutron é uma partícula subatômica, logo, para entendê-lo, devemos recorrer à mecânica quântica [¹⁰, ¹¹]. A hipótese de Louis de Broglie, que toda partícula com momento possui um comprimento de onda associado, também é válida para os nêutrons. É exatamente o caráter ondulatório dos nêutrons que possibilita sua utilização na geração de imagens.

2. Imagens

Imagens são representações visuais de situações reais ou imaginárias. Incluem fotografia, pintura, desenho, escultura, radiografia, holograma, etc. Sua função pode ser de caráter comunicativo, devido ao seu poder de resposta instantânea no observador, ou científica, onde uma análise mais detalhada pode se fazer necessária. A neutrongrafia é uma imagem obtida quando um feixe nêutrons, gerados por uma reação nuclear, passa através da estrutura interna de um material ou objeto a ser examinado e atingem um detector, o dispositivo responsável pela captação e registro da imagem. Este método, conhecido como imagem por transmissão é baseado no princípio de atenuação do feixe ao longo da travessia, devido a sua interação com a matéria. O resultado é uma imagem gerada devido à atenuação causada pelo objeto. Irregularidades e defeitos internos, como vazios, rachaduras, porosidades, soldas, interfaces de materiais ou inclusões, são evidenciados pela variação na intensidade do feixe de nêutrons que chega ao detector, gerando contrastes na imagem. Um esquema ilustrativo da geração de imagens utilizando um feixe de nêutrons pode ser vista na Figura 1, que mostra esquematicamente de forma ampliada a imagem obtida, evidenciado contrastes diferenciados devido a estrutura interna do objeto em questão.

Figura 1
Esquema representativo de uma imagem por transmissão, onde $\mu$ é o coeficiente de atenuação do material. Duas inclusões de materiais distintos encontram-se no interior de um encapsulamento. A diferença entre os coeficientes de atenuação gera diferentes contrastes na imagem: regiões escuras quando o feixe se propaga sem atenuação, claras quando há forte atenuação, e tons de cinza para situações intermediárias.

A radiografia é certamente a imagem por transmissão mais conhecida e utilizada no dia a dia, e utiliza ondas eletromagnéticas, na faixa de raios X, como fonte de radiação. Sua aplicação na medicina é muito significativa. Em seres vertebrados, o raio X tem maior dificuldade em atravessar os ossos do que tecidos mais moles. De maneira simplificada, a imagem obtida favorece a visualização do interior do corpo humano e sua investigação sem a necessidade de uma intervenção cirúrgica. O compromisso que existe entre um bom contraste de imagem para diferentes tecidos do corpo humano, efeitos danosos da radiação, portabilidade da fonte e tecnologia para a detecção fazem dos raios X a radiação mais utilizada na área da saúde. Na indústria, onde estão presentes elementos de maior número atômico, ondas eletromagnéticas de energias mais altas, raios gama $\gamma$, também são utilizadas para a obtenção de imagens em ensaios não destrutivos, chamados de gamagrafia. Entretanto, a interação das ondas eletromagnéticas com a matéria não depende somente de sua energia, mas também do material do qual é composto o objeto estudado. De modo geral, no caso de ondas eletromagnéticas, quanto maior o número atômico menor é a penetração da radiação. E para que estruturas vizinhas sejam evidenciadas como distintas, em uma imagem, seus números atômicos precisam ser bem diferenciados. Caso contrário há pouca eficiência na análise através de imagem, tanto com o uso de raios X quanto no de raios $\gamma$. Quando os componentes internos possuem números atômicos próximos ou baixos, uma outra forma de obtenção de imagem precisa ser utilizada. Aqui a neutrongrafia – imagens obtidas com nêutrons – talvez tenha seu mais alto protagonismo.

De forma simplificada, para a obtenção de imagens de neutrongrafia de qualidade em pesquisa envolvendo ensaios não destrutivos (EDN), são utilizados nêutrons em uma faixa de energia entre 0,01 eV e 0,3 eV, denominados nêutrons térmicos [¹²]. Nêutrons com energias maiores atravessariam o detector, impossibilitando a formação da imagem. E com energias menores seriam totalmente absorvidos pelo objeto. Trabalhos em neutrongrafia utilizam nêutrons com energia correspondente a temperatura ambiente. Da relação $E=kT$, onde $k$ é a constante de Boltzmann (1,$38\times {10}^{-23}$ J/K) e $T$ é a temperatura ambiente (293 K), obtemos $E=\mathrm{4,0}\times {10}^{-21}$ J, que corresponde a 0,025 eV. Como a voltagem pode ser expressa em Joule/Coulomb e a carga em Coulomb, o eV (elétron-Volt) é também uma unidade de energia. Tomando $E=0$,025 eV como sendo a energia do nêutron, de massa 1,$67\times {10}^{-27}$ kg, e utilizando a equação não relativística da energia cinética, obtemos a velocidade dos nêutrons da ordem de 2,$2\times {10}^{\text{3}}$ m/s, apropriada para o registro de uma imagem de neutrongrafia.

A seção de choque, medida por unidade de área, é uma grandeza microscópica que quantifica a probabilidade da radiação (fóton ou nêutron) interagir com um átomo por qualquer mecanismo, englobando processos de absorção e espalhamento. Quando a seção de choque é associada com a densidade de átomos do material, obtém-se o coeficiente de atenuação linear, que descreve a fração da radiação removida do feixe ao atravessar o meio material. Assim, o coeficiente de atenuação é a expressão macroscópica da soma das seções de choque elementares na interação radiação–matéria. A atenuação da radiação na matéria é governada pela Lei de Lambert-Beer [¹³], que prediz que há um decréscimo exponencial entre a intensidade da radiação incidente $I_o$ e a transmitida $I$, quando a radiação atravessa um material homogêneo de coeficiente de atenuação linear $\mu$ (em cm^-1) e espessura $x$ (em cm). Matematicamente, a relação é expressa pela equação $I=I_o\cdot e^{-\mu x}$, onde $I_o$ é a intensidade do feixe de radiação incidente e $I$ a intensidade que atinge o detector. No caso de haver defeitos ou inclusões dentro do material a atenuação será diferente nesta região, conforme representado na Figura 2 através de gráficos de intensidade da radiação transmitida ao longo da espessura do material investigado. Na Figura 2a o defeito é um vazio, e portando a intensidade de radiação transmitida não decresce nessa região. Já na Figura 2b o defeito considerado é uma inclusão com maior coeficiente de atenuação, ${\mu }_d>{\mu }_E$, onde ${\mu }_E$ representa o coeficiente de atenuação do encapsulamento do objeto e ${\mu }_d$ o coeficiente de atenuação da inclusão. A linha pontilhada em vermelho na Figura indica como seria a transmissão no caso de não haver vazio ou inclusão dentro do material.

Figura 2
Representação qualitativa da atenuação de radiação na matéria. O gráfico da Figura 2a mostra a intensidade transmitida em função da espessura quando há uma vacância (vazio) dentro do objeto investigado. Na Figura 2b há um material encapsulado de maior atenuação dentro do objeto.

Embora raios X e raios $\gamma$ sejam produzidos por processos distintos, fótons de mesma energia apresentam os mesmos mecanismos de interação com a matéria. A probabilidade de interação depende da combinação entre a energia do fóton incidente e do número atômico do material-alvo. De um modo geral, para uma mesma energia, a probabilidade de um átomo absorver um fóton diminui com o número atômico do alvo. Os nêutrons, por sua vez, são partículas eletricamente neutras e, portanto, não interagem com os elétrons nem são afetados pelos campos eletrostáticos do núcleo. Assim, não causam ionização direta nem excitação dos átomos do material absorvedor. Podem atravessar vários centímetros de matéria sem interagir e permanecer completamente invisíveis a um detector de imagem. Quando há uma interação do nêutron com a matéria, ela ocorre diretamente com o núcleo atômico. A probabilidade dessas interações é expressa pelo coeficiente de absorção.

O gráfico na Figura 3a representa o coeficiente de absorção de massa para nêutrons, com energia de 0,025 eV, em função do número atômico Z [¹⁴]. Alguns elementos químicos estão destacados na Figura. Já o gráfico na Figura 3b representa o equivalente ao coeficiente de absorção para radiação eletromagnética incidente em função do número atômico, para raios X com energia de 100 keV (${10}^{\text{5}}$ eV) e para raios $\gamma$ com 412 keV (4,$12\times {10}^5$ eV). Em resumo, a Figura 3b representa a probabilidade de interação da onda eletromagnética com determinada energia interagir com a matéria. O coeficiente de absorção de nêutrons em função do número atômico do elemento não segue um comportamento monotônico (Figura 3a). Destaca-se a alta absorção de nêutrons em materiais com hidrogênio. Já os fótons são mais atenuados em materiais com alto número atômico. Elementos como o cádmio, boro e gadolínio têm alta absorção de nêutrons, enquanto o titânio e o chumbo são praticamente transparentes quando comparados a atenuação pelos fótons, X e $\gamma$. Uma comparação ilustrativa de fácil visualização entre a absorção por diferentes elementos químicos quando expostos a nêutrons ou a ondas eletromagnéticas é apresentada na Figura 4.

Figura 3
(a) coeficiente de absorção em massa de nêutrons térmicos (medidos em g/cm²) em função do número atômico (Z) do elemento químico; (b) coeficiente de absorção de raios X e raios $\gamma$ em função do número atômico do elemento químico. Comparando as duas radiações eletromagnéticas, observa-se que os raios X (menor energia) são mais atenuados pela matéria quando comparados aos raios $\gamma$ (maior energia). Dados obtidos da Referência [¹⁴].

Figura 4
Representação ilustrativa comparando como ondas eletromagnéticas (em verde) e nêutrons térmicos (em amarelo) são absorvidos por diferentes elementos da tabela periódica. As áreas ilustrando os coeficientes de absorção foram calculadas a partir dos dados da Figura 3, porém o resultado não é quantitativamente rigoroso.

3. Fontes e Detectores de Nêutrons

As fontes de nêutrons mais comuns utilizadas na medicina, na pesquisa científica e na indústria são os reatores nucleares, que empregam fissão nuclear para produzir nêutrons em grandes quantidades. Outras formas de produzir nêutrons incluem: (i) fontes radioativas emissoras de partículas alfa – como o polônio-210 ou o amerício-241 – que produzem nêutrons quando suas partículas alfas interagem com um alvo de berílio; (ii) aceleradores de partículas, que podem gerar nêutrons ao colidir com partículas de alta energia com alvos específicos; e (iii) reações de fusão, nas quais em condições adequadas, a fusão de núcleos leves libera nêutrons. Em todos os casos, as fontes geradoras de nêutrons são fixas, e qualquer estudo ou aplicações deve ser conduzido nos locais onde estas se encontram. No Brasil, uma das principais fontes de geração de nêutrons encontra-se no IPEN, em São Paulo [¹⁵]. Quando feixes de nêutrons são utilizados para geração de imagens há diversos parâmetros que governam resolução e contraste da imagem: a geometria do colimador, a distância entre o objeto estudado e o detector e razão $L/D$, onde $L$ é a distância entre a abertura de entrada do feixe e o plano de imagem e $D$ é o diâmetro da abertura do feixe [¹⁶].

Quando a radiação interage com a matéria geralmente ocorre ionização. A detecção da radiação baseia-se no princípio da contagem ou registro da carga elétrica gerada nesse processo. O nêutron ao incidir na matéria não interage com os orbitais eletrônicos dos átomos. Ele interage com o núcleo, podendo haver espalhamento ou absorção. No espalhamento o núcleo alvo não altera sua composição isotópica. No espalhamento inelástico o núcleo fica excitado e pode liberar este excesso de energia para retornar à estabilidade. No espalhamento elástico, o núcleo alvo não sofre alteração em energia, entretanto o nêutron incidente perde energia por colisão. Quando o elemento alvo contem hidrogênio a redução de energia é muito significativa, e por essa razão o hidrogênio, na forma de água leve (H₂O) ou pesada (D₂O), é muito utilizado como moderador em reatores nucleares [¹⁷].

Um dos principais desafios do trabalho com técnicas nucleares envolve a detecção de nêutrons. Nêutrons não possuem carga elétrica e, portanto, não ionizam diretamente a matéria. A detecção de nêutrons envolve um processo indireto, no qual a radiação de nêutrons é convertida em ondas eletromagnéticas. Entre os possíveis materiais empregados para esse fim, destaca-se o gadolínio (Gd) por apresentar uma alta seção de choque para captura de nêutrons térmicos, tornando-o particularmente atrativo para aplicações em instrumentação nuclear e imagem por nêutrons. Após a captura do nêutron, o núcleo de gadolínio encontra-se em um estado altamente excitado e decai por meio da emissão de uma cascata de raios gama, que são ondas eletromagnéticas de alta energia. Dentre os isótopos estáveis que constituem o gadolínio, o ${}_{64}{}^{155}Gd$ e o ${}_{64}{}^{157}Gd$ se destacam para a detecção de nêutrons térmicos (com energias da ordem de 0,025 eV), convenientes para obtençaõ de imagens e pesquisa por neutrongrafia. Já os detectores de ondas eletromagnéticas são altamente desenvolvidos, impulsionados por aplicações na área médica, e não serão discutidos nesse artigo.

4. Aplicações

O alto coeficiente de absorção de nêutrons por alguns elementos favorece a neutrongrafia quando o objetivo é a complementação de estudos realizados originalmente com ondas eletromagnéticas, ou mais especificamente quando forem analisados dispositivos constituídos de materiais com baixo número atómico, em especial os chamados materiais hidrogenados, onde o hidrogênio é majoritário em sua constituição.

A potencialidade da neutrongrafia faz com que essa técnica seja aplicada na verificação de falhas ou posicionamento inadequado de materiais plásticos no interior de peças ou estruturas metálicas de grandes espessuras e percepção de corrosão em peças ou estruturas. Geralmente os produtos de corrosão contém hidróxidos, possibilitando a inspeção de componentes explosivos encapsulados em metais, como plástico RDX (C₄H₆O₆N₆), dinamite TNT (C₄H₅O₆N₃), explosivo PETN (C₅H₈O₁₂N₄) e a análise em sistemas de vedação de interfaces metal borracha. Estes exemplos fazem da neutrongrafia uma técnica complementar indispensável no desenvolvimento de tecnologia aeroespacial [⁹].

A Figura 5 apresenta imagens da aleta de um estator de turbina de avião. O estator é uma parte estacionária do motor, composta por aletas (lâminas ou palhetas) que direcionam e controlam o fluxo de ar que passa pela turbina. A Figura 5a foi obtida com incidência de nêutrons com energia de aproximadamente 0,025 eV, produzidos por um reator de pesquisa que utiliza urânio como combustível nuclear na forma de U₃O₈ enriquecido a 19,9% em ²³⁵U. As setas indicam regiões com resíduos do molde cerâmico, utilizado no processo de fabricação das aletas. Esses defeitos não são visualizados na Figura 5b, onde a imagem foi obtida com incidência de raios gama (ondas eletromagnéticas) com energia de 412 keV. Mais detalhes são encontrados na Referência [¹⁸].

Figura 5
Imagens de uma aleta do estator de turbinas de aeronaves obtidas (a) com nêutrons térmicos e (b) com raios $\gamma$ de 412 keV. A imagem de neutrongrafia revela defeitos não visíveis na imagem obtida com raios $\gamma$.

Vale ainda ressaltar que após a obtenção da imagem existem algoritmos de tratamento [¹⁹, ²⁰, ²¹] que podem melhorar significativamente a qualidade da imagem. O desenvolvimento de novos algoritmos computacionais direcionados a tratamento de imagens também é uma área com grande relevância na ciência atual.

5. Considerações Finais

Em resumo, a neutrongrafia é uma técnica em ensaios não destrutivos de análise por imagem, que pode ser aplicada em situações complementares às investigações que utilizam ondas eletromagnéticas – raios X e raios $\gamma$. Devido às particularidades da interação dos nêutrons com a matéria, essa técnica permite a visualização de estruturas internas e distribuição de elementos leves que são inacessíveis por técnicas convencionais. O estudo da neutrongrafia possui ampla aplicação na indústria, em contextos que exigem a avaliação interna de componentes sem comprometer sua integridade estrutural. É esperado que os conceitos básicos apresentados aqui possam ser amplamente difundidas nas salas de aulas do ensino médio e superior, uma vez que o estudo das radiações tem grande relevância na área de ciências da natureza e suas tecnologias. O conhecimento da neutrongrafia contribui para uma abordagem mais integrada entre fundamentos físicos, instrumentação e aplicações tecnológicas. A formação de professores carece de um conhecimento mais amplo e abrangente de tópicos que extrapolem a ementa regular. Nesse contexto, este artigo fornece subsídios para enriquecer as discussões em sala de aula, além de beneficiar novos despertares e o gosto pelas ciências por estudantes.

Agradecimentos

Erica Silvani Souza reconhece o apoio recebido por meio da Bolsa de Estudos Avançados, no âmbito do Edital IEN-CNEN n^o 002/2024.

Disponibilidade de Dados

Todo o conjunto de dados que dá suporte aos resultados deste estudo está devidamente referenciado ou disponível mediante solicitação ao autor correspondente.

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Editado por

• Editor-Chefe:
  Marcello Ferreira https://orcid.org/0000-0003-4945-3169

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  08 Maio 2026
• Data do Fascículo
  2026

Histórico

• Recebido
  21 Dez 2025
• Revisado
  22 Fev 2026
• Aceito
  22 Mar 2026