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Tiefe (Ein-)Blicke

Neutronenkamera für zerstörungsfreie Materialprüfungen

In den letzten Jahren haben sich bildgebende Verfahren für die zerstörungsfreie Prüfung (NDT) enorm weiter entwickelt. Ging es früher um die reine Verbesserung von visuellen Prüfvorgängen, so werden heute Verfahren eingesetzt, die weit über die Fähigkeiten des menschlichen Sehens hinausgehen. Man ist geneigt, vom ‚Sichtbaren des Unsichtbaren‘ zu sprechen.

 Neutronenradiographie (Mitte) und Tomographie (rechts) eines Pneumatik-Zylinders (links). Der aufgenommene Bereich ist rot markiert. Aufgenommen am Conrad Instrument des HZB. (Bild: Proxivision GmbH)

Bild 1: Neutronenradiographie (Mitte) und Tomographie (rechts) eines Pneumatik-Zylinders (links). Der aufgenommene Bereich ist rot markiert. Aufgenommen am Conrad Instrument des HZB. (Bild: Proxivision GmbH)

Nicht sichtbare Strahlung im ultravioletten Bereich sowie Röntgenstrahlung haben sich mehr und mehr etabliert und sind in Prüfanwendungen der Automobilindustrie, Luftfahrt und Medizintechnik nicht mehr wegzudenken. Im Bereich der Durchstrahlungsprüfung hat die Tomographie, die dreidimensionale Auswertung von Bildern, durch ihre breite Verfügbarkeit immer mehr an Bedeutung gewonnen. Vor- und Nachteile dieser Verfahren hängen primär vom Einsatzfall ab. So ist die Durchstrahlung von Objekten mit Röntgenlicht ein gängiges und präzises Verfahren, um das Innere von Werkstücken zu untersuchen. Röntgenstrahlung durchdringt Metalle naturgemäß schlechter als weniger dichte Materialien wie etwa Kunststoffe oder Gummi. Daher lassen sich solch leichte Materialien nur schwer mittels Röntgen darstellen, wenn Metallwände im Weg sind.

Alternative zu Röntgenstrahlung

Haben wir jedoch den Bedarf, solche Materialien durch Metall hindurch zu sehen, so können wir Neutronenstrahlung einsetzen. Diese stellt eine besondere Form der Strahlung dar, da sie kaum elektromagnetisch beeinflussbar ist. Beim Durchdringen eines Materials werden Neutronen nicht von den Elektronen abgeschwächt, wie etwa Röntgenstrahlung, sondern durch Stöße mit den Atomkernen. Dies führt zu einem wesentlichen Unterschied: Neutronen durchdringen Metalle mit schweren Kernen deutlich besser als Kunststoffe und andere Materialien mit eher leichten Kernen. Am besten versteht man den Unterschied an einem Beispiel. In der Mitte von Bild 1 ist die Neutronen-Aufnahme eines Pneumatik-Zylinders (links) abgebildet. Die Metallhülle ist hell zu sehen, da sie die Neutronen kaum abzuschwächen vermag. Die Dichtungsteile jedoch, welche Röntgenlicht kaum abschwächen würden, erzeugen im Neutronenbild einen sehr ausgeprägten Kontrast und lassen sich somit präzise darstellen. Man spricht daher auch von einer zu Röntgenaufnahmen komplementären Technik. Im genannten Beispiel besteht die Aufgabe darin, die Dichtungen im Zylinder zu überprüfen, ohne das Gehäuse zu öffnen. Zunächst wird deutlich, dass die Gehäuse- und Dichtungsstrukturen sich schon in der zweidimensionalen Darstellung deutlich unterscheiden lassen. Durch die Aufnahme mehrerer Bilder und der Drehung des Prüfobjektes nach jeder Aufnahme, kann ein dreidimensionales Bild erzeugt werden (Bild1, rechts). Dieses zeigt nicht nur die unterschiedlichen Materialien auf, sondern ermöglicht auch die Detektion von dreidimensionalen Strukturen der Dichtungen.

Spezielle Neutronendetektoren

Um Neutronenstrahlung sichtbar machen zu können, sind spezielle Detektoren notwendig. Diese müssen zum einen empfindlich auf die Strahlung reagieren, zum anderen, um ein Bild zu erhalten, die räumliche Verteilung der Strahlung möglichst unverzerrt aufnehmen. Der in Bild 2 dargestellte Bildwandler ist in der Lage, diese Anforderungen zu erfüllen. Neutronen werden in einer speziellen Mikrokanalplatte direkt in einen Elektronenpuls im Vakuum umgewandelt. Dieser wird außerhalb der Röhre erfasst und Position sowie Ankunftszeit daraus ermittelt. Die Bestimmung dieser Größen erfolgt durch zwei Delaylines, in welchen durch das Signal jeweils ein Puls induziert wird, der in Richtung beider Enden wandert. Aus der Differenz der Ankunftszeiten lässt sich dann die ursprüngliche Position auf der Delayline bestimmen. Neben der Position erhält man mit diesem Ansatz auch die Ankunftszeit des Neutrons. Diese spielt bei gepulsten Quellen eine besondere Rolle, da sich daraus die Geschwindigkeit der Neutronen und damit deren de-Broglie Wellenlänge ergibt. Stark vereinfacht ausgedrückt messen wir also die ´Farbe´ jedes Neutrons zusammen mit seiner Position.

 Prinzipskizze des flugzeitauflösenden Sensors der Neutronenkamera (Bild: Proxivision GmbH)

Bild 2: Prinzipskizze des flugzeitauflösenden Sensors der Neutronenkamera (Bild: Proxivision GmbH)

Orts- & zeitauflösender Detektor

Welche Bilder Neutronen erzeugen, hängt im Detail von dieser Farbe (Wellenlänge) ab. Ein praktisches Beispiel ist das Bragg-Edge Verfahren, bei welchem je ein Bild der Probe für viele verschiedene Wellenlängen aufgenommen wird. Dabei findet man bei bestimmten Wellenlängen einen plötzlichen Anstieg in der Helligkeit einzelner Bildpunkte. Aus der Lage der Sprungkanten lassen sich lokale Veränderungen in der Gitterkonstante und somit z.B. Phasenumwandlungen im Volumen von Stählen unter Belastung feststellen. Der große Vorteil eines orts- und gleichzeitig zeitauflösenden Detektors besteht darin, dass man die Bilder aller Wellenlängen gleichzeitig aufnehmen kann, ähnlich wie mit einer multispektralen Kamera. Mit herkömmlichen Bildaufnahmesystemen muss man jede Wellenlänge per Monochromator einstellen und somit ein Bild nach dem anderen aufnehmen. Die gleichzeitige Messung führt also zu einer enormen Zeitersparnis.

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