Computertomographie mit Gammastrahlung

Transkript

1 Computertomographie mit Gammastrahlung 1. Strahlungsquelle / Isotopenstrahlung 2. Gammastrahlungsdetektor 3. Messwertverarbeitung 4. Anwendungsbeispiele CT mit Gammastrahlung Detektorbogen Untersuchungsobjekt Isotopen- Strahlungsquelle»1

2 Isotope Isotope Isotope sind sind Nuklide Nuklide mit mit gleicher Ordnungszahl, die die sich sich nur nur durch durch die die unterschiedliche Anzahl Anzahl von von Neutronen im im Atomkern unterscheiden. Radioisotope Radioisotope sind sind instabile Isotope. Dass Dass heißt, heißt, sie sie zerfallen früher früher oder oder später später infolge infolge von von Kernumwandlungsprozessen. Herstellung von Radioisotopen Kernreaktor: Aktivierung von von Targets durch durch Bestrahlung mit mit Neutronen. Teilchenbeschleuniger: Targetaktivierung durch durch Beschuss mit mit Protonen. Beispiel: Cs-137 (Wahrscheinlichkeit 15%) (Wahrscheinlichkeit 85%)»2

3 Aktivität A SI-Einheit: Bq (Becquerel) = 1s -1 alt Ci (Curie): 1 Ci = 3, Bq Eine Aktivität von 1 Bq bedeutet eine Zerfallsrate von 1 Zerfall pro Sekunde. Die spezifische Aktivität bezeichnet die Zerfallsrate pro Masseeinheit (g) eines Stoffes. Radioisotope für die Gamma-CT Isotop Phys. Form Spez. Aktivität γ-energie Halbwertszeit Cs-137 Metallpulver 88 Ci/g 0,662 MeV 30,1 a Co-60 Feststoff 1100 Ci/g 1,17 MeV + 1,32 MeV 5,3 a Ir-192 Am-241 Feststoff Feststoff 450 Ci/g 3,4 Ci/g mehrere Linien zwischen 0,14 MeV und 1,2 MeV (0,34 MeV Mittelwert) 0,059 MeV 74 d 433 a»3

4 Technische Isotopenquellen Cs-137, max. 300 GBq Gewicht des Abschirmcontainers: 18 kg Aktivitätskapsel ca. 5.6mm x 12.9 mm Co-60, max. 100 GBq Gewicht des Abschirmcontainers: 120 kg Aktivitätskapsel ca. 2 mm x 3 mm Abschirmbehälter für Isotopenquellen»4

5 Ausfahrmechanik und Strahlerkapsel Strahlungskollimator»5

6 Beispiel Strahlungsdetektor»6

7 Messprinzip Szintillator Licht-Strom- Wandler elektronische Pulssignalverarbeitung BGO, LSO, LYSO, CaWO 4, NaI, CsI(Tl),... Photomultiplier, APD, Photodiode Ladungssensitiver Vorverstärker, Anpassverstärker, Pulshöhendiskriminator, Zählerstufe Wichtigste Szintillationskristalle Kristall NaI(TI) CsI(TI) LSO BGO Transmissionsmaximum (nm) hygroskopisch Photonenausbeute (Photonen/keV) Abklingzeit (ns) Halbwertsdicke für 662 kev Photonen (mm) ja leicht nein nein»7

8 Strahlungsdetektor Hochspannung 800V V zur Zählelektronik PMT γ Verstärker Pulsformer Szintillationskristall Photomultiplier evakuierter Glaskörper Szintillationskristall Photokathode Dynoden Anode R R R R R R R Widerstandskaskade + -»8

9 Photomultiplier Szintillationskristall Lichtquanten Primärelektronen γ-quanten R R R R R R R Widerstandskaskade + - Hochspannung (ca.1000v) Photomultiplier R R R R R R R Widerstandskaskade + - Hochspannung (ca.1000v)»9

10 Photomultiplier R R R R R R R Widerstandskaskade + - Photomultiplier elektrischer Strom R R R R R R R Widerstandskaskade + -»10

11 Alternative: Avalanche-Photodiode Hamamatsu S x 8 APDs on one substrate 1.6 mm x 1.6 mm each Bias voltage 320V V C diode = 15 pf Gain = 50 Elektronische Pulsverarbeitung»11

12 Pulsspektrum einer Cs-Quelle Vielkanal- analysator Elektronische Pulsverarbeitung»12

13 Elektronische Pulsverarbeitung Elektronische Pulsverarbeitung»13

14 Detektoraufbau Detektoraufbau 320 single detectors with 2 mm x 8 mm active area >75% detection efficiency at 662 kev total weight: weight: 16 kg»14

15 Detektornummer (i) Detektornummer (i) Erfassung des Sinogramms Counts pro Zeiteinheit (N) N0( i) Erfassung des Sinogramms Counts pro Zeiteinheit (N) N ( i)»15

16 Detektornummer (i) Detektornummer (i) Erfassung des Sinogramms Extinktion s N ( i) E( i) = ln = µ ( s) ds N ( i) 0 D Q Erfassung des Sinogramms 0 Projektionswinkel (j) 360 N( i, j) E( i, j) = ln N ( i, j) 0»16

17 Beispiel 1 Hydrodynamische Kupplung Hydrodynamische Kupplung Quelle: Voith Turbo GmbH»17

18 Hydrodynamische Kupplung Quelle: Voith Turbo GmbH Hydrodynamische Kupplung»18

19 Hydrodynamische Kupplung Gammatomographie an einer hydrodynamischen Kupplung Sinogram Local water content (%) Differenzbild»19

20 Gammatomographie an einer hydrodynamischen Kupplung Erkennung von Spritzwasserbahnen vom oberen Schaufelrand zu hinterer Kammerwand Beispiel 2 Gammatomographie an einer Axialpumpe»20

21 Gammatomographie an einer Axialpumpe Gammatomographie an einer Axialpumpe»21

22 Gammatomographie an einer Axialpumpe 432 m³/h Water, 10% Air Beispiel 3 Gammatomographie an Brennelementbündeln»22

23 Brennelementbündel Brennelementbündel Fuel element bundle mockup Image reconstruction»23

24 Brennelementbündel raw image steam fraction distribution»24