Phasenkontrast-Radiographie und -Tomographie mit Neutronenstrahlen zur zerstörungsfreien Materialanalyse
Final Report Abstract
Die Neutronenradiographie ist ein Verfahren zur Materialuntersuchung, das wie die klassische Röntgenprüfung auf der Strahlenschwächung im Untersuchungsobjekt basiert. Ziel dabei ist es, über die Strahlschwächung entlang unterschiedlicher Wege im Prüfkörper Informationen über dessen innere Struktur zu gewinnen. Durch die Aufnahme von mehreren Radiographien von einem Objekt unter verschiedenen Winkeln, kann eine dreidimensionale Darstellung dieses Objekts und den in ihm enthaltenen Fehlern abgeleitet werden. Derartige Computertomographien (CT) mit Röntgenlicht sind im medizinischen Einsatz weit verbreitet. Neben der Verwendung in der Medizintechnik gibt es eine Vielzahl industrieller Applikationen für Röntgen- und Neutronen-CT. Mit Hilfe dieser Verfahren lassen sich u. a. sowohl Größe als auch Lage volumetrischer Bauteil- bzw. Werkstoff- und Verbunddefekte bestimmen. Voraussetzung hierfür ist jedoch ein ausreichender Kontrast im Werkstoff und zwischen den Grenzflächen im Objekt. Bei der Phasenkontrastradiographie wird der Wellencharakter der Neutronen genutzt, um einen zusätzlichen Kontrast neben dem herkömmlichen Absorptionskontrast zu erhalten. Dies ermöglicht die zerstörungsfreie Prüfung von Objekten, bei welchen die konventionelle Röntgentomographie bzw. Neutronenradiographie bisher nur unbefriedigende Ergebnisse liefern konnte. An der Tomographieanlage ANTARES der Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM-II) in Garching wurde mit der Phasenkontrastradiographie eine neue Messmethode implementiert und erfolgreich für die zerstörungsfreie Prüfung verschiedenartigster Objekte verwendet. Die venwendete Messtechnik basiert auf der Interferenz unterschiedlich stark am Probenort gebeugter Neutronenwellen in der Detektorebene. Beim Vergleich mit alternativen phasensensitiven Messverfahren wurden die Vor- und Nachteile der verschiedenen Methoden analysiert. In Vorversuchen an ANTARES und der Spallationsquelle SINQ des PSI in Villigen wurde der Einfluss der Strahlgeometrie, des Neutronenspektrums und des venwendeten Detektors aufdie Qualität der Phasenkontrastmessungen systematisch untersucht. Der erhebliche Beitrag zum Rauschen durch Gammastrahlung und epithermische Neutronen im Neutronenstrahl wurde nachgewiesen, woraufhin ein ferngesteuertes Filterrad für eine exakte Positionierung verschiedener Festkörperfilter im Strahl installiert wurde. Analog ermöglichte der Einbau eines Blendenrads den schnellen Wechsel zwischen acht verschiedenen Strahigeometrien. Neben Loch- und Schlitzblenden wurden auch kodierte Masken hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit für Phasenkontrastmessungen untersucht. Die Möglichkeiten, welche sich durch die Nutzung des Realteils des Brechungsindex in der Neutronen-Radiographie und -Tomographie ergeben, wurden anhand von Messungen an im Verbund gegossenen Testphantomen und an industriellen Bauteilen verdeutlicht. Desweiteren wurden verschiedene Kantendetektionsalgorithmen auf die qualitativen Phasenkontrastradiographien angewendet und auf ihren Einsatz hin validiert. Nach dem erfolgreichen Abschluss der Umbauarbeiten an der Tomographieanlage ANTA-RES haben nun Messgäste aus Industrie und Forschung am FRM-II die Möglichkeit neben konventioneller Neutronenradiographie und -tomographie, Phasenkontrastmessungen mit Neutronen unter idealen Bedingungen durchführen zu können. Die Strahlgeometrie und das Neutronenspektrum, welche die zwei wichtigsten Einflussgrößen für das Messverfahren sind, können mit Hilfe ferngesteuerter Wechselvorrichtungen für Blendeneinsätze und Kristallfilter schnell und präzise verändert werden. Als Detektoren können sowohl CCD Detektoren (für Tomographie notwendig) als auch Image Plates (niedrigerer Untergrund als bei CCD, aber nur für Radiographien geeignet) verwendet werden. Verschiedene Materialkombinationen sind in konventionellen Radio- bzw. Tomographien nicht eindeutig zu separieren, wobei Phasenkontrastmessungen mit Neutronen Abhilfe schaffen können. Eine wichtige Aufgabe ist nun die Möglichkeiten aufzuzeigen, welche sich durch Phasenkontrastradiographien und -tomographien mit Neutronen bieten. Ebenso muss der unterschiedliche Nutzen der Neutronen- gegenüber der Röntgentomographie klar herausgearbeitet werden um diesen zusammen mit den Möglichkeiten der Phasenkontrastmethode effizient für die volumetrische, zerstörungsfreie Materialanalyse zu nutzen.
Publications
- Qualitative Phase Contrast Tomography at FRM-ll, European Neutron Radiography Association Meeting, 23. März 2007, Berlin
Hippmann S., Lorenz K., Schillinger B.
- Correlation between adhesive tensile strength and engagement grade of crosswise oriented nonwovens of metal hook and loop fasteners, Materials Science and Engineering, 1-4 September, 2008, Nürnberg, Germany
Hippmann S., Hein C., Hoffmann H.
- Correlation between adhesive tensile strength and engagement grade of crosswise oriented nonwovens of metal hook and loop fasteners. Production Engineering, (2008)
Hippmann S., Hein C., Hoffmann H.
- Edge Detection within Qualitative Phase Contrast Neutron Radiographies of Castings, The Sixth International Topical Meeting on Neutron Radiography, 14-18 September, 2008, Kobe, JAPAN
Hippmann S., Bogenberger C., Lorenz K., Hoffmann H.
- „Implementation of neutron phase contrast imaging at FRM-ll" Dissertation, 2008
K. Lorenz
- Edge Detection within Qualitative Phase Contrast Neutron Radiographies of Castings, Nucl. Instr. and Meth. A 605 (2009) 30- 32
Hippmann S., Lorenz K., Bogenberger C., Hoffmann H.
