Neutronen zeigen, was Röntgenstrahlen nicht sehen können

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1 Neutronen zeigen, was Röntgenstrahlen nicht sehen können Burkhard Schillinger 1, Elbio Calzada 1, Martin Mühlbauer 1, Michael Schulz 1 1 Technische Universität München, FRM II und Physik E21 Lichtenbergstr.1, Garching, Deutschland, Tel: , Fax: , Burkhard.Schillinger@frm2.tum.de Kurzfassung Röntgen-Computer-Tomographie hat eine hohe Reife zur industriellen Anwendung erreicht. Bei der Fragestellung leichte bzw. organische Materialien in zusammengesetzten Maschinenteilen zu erkennen,muß sie jedoch aus physikalischen Gründen versagen. In den letzten Jahren wurde auch die Radiographie und Tomographie mit thermischen sowie mit schnellen Neutronen zu einem industriell anwendbaren Werkzeug entwickelt. Da diese Messungen nur an einem Großgerät wie einem Forschungsreaktor oder einer Spallationsneutronenquelle durchgeführt werden können, bleibt die Röntgen-CT aufgrund einfacherer Verfügbarkeit das Werkzeug erster Wahl, wird jedoch in idealer Weise durch Neutronen-CT ergänzt, wo Röntgenstrahlen nicht weiterhelfen. Dieses Paper zeigt die komplementären Möglichkeiten der Neutronen-Radiographie und Tomographie auf. Da die Auswertung von 3D-Daten gleich wie bei Röntgen erfolgt, werden viele Beispiele besonderer Neutronenkontraste nur als Radiographien gezeigt, die Ausweitung zur CT ist dann selbstverständlich. Die gezeigten Meßmethoden sind am Forschungsreaktor FRM II der Technischen Universität München als Dienstleistung für industrielle Anwender verfügbar. Keywords: Neutronen. Forschungsreaktor, CT, ZFP, Messung, Röntgenstrahlen 1 Einleitung Neutronenradiographie mit Film wurde schon in den 1950er Jahren mit dem Aufkommen der ersten Forschungsreaktoren eingeführt, erlangte jedoch lange keine praktische Bedeutung aufgrund schwieriger Handhabung, kleinem dynamischen Bereich und insbesondere schlechter Bildauflösung, da die ersten Radiographieanlagen nur auf hohen Fluß optimiert waren und eine sehr unscharfe Abbildung lieferten. Mit dem Aufkommen elektronischer Detektoren erlebt die Neutronenradiographie seit den 1990er Jahren eine Renaissance, insbesondere, seit an neuen Neutronenquellen wie Paul- Scherrer-Institut (CH) und dem FRM II (D) neue Strahlplätze explizit auf hohe Auflösung optimiert und gebaut wurden. Die TU München ist eines der führenden Forschungsinstitute bei der (Weiter- )Entwicklung neuer Neutronen-Bild-Methoden wie Tomographie, stroboskopische Radiographie und Phasenkontrast [1]. 2 Neutronen vs. Röntgenstrahlung 2.1 Wechselwirkung von Röntgen- und Neutronenstrahlen mit Materie Röntgen- und Gammastrahlen wechselwirken mit der Elektronenhülle der Elemente durch Photoeffekt, Comptoneffekt und Paarbildung. Die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit steigt mit steigender Anzahl von Hüllelektronen und damit mit der Ordnungszahl im Periodensystem. Neutronen wechselwirken nur mit den Atomkernen über Kernreaktionen, kohärente und inkohärente Streuung. Schnelle Neutronen (mit Energien im Bereich von MeV) wechselwirken hauptsächlich über inkohärente Streuung, sprich Stoß. Für schnelle Neutronen sinkt die Wechselwirkungswahr- 71

2 scheinlichkeit daher mit der Ordnungszahl, da die Massendifferenz der Stoßpartner ansteigt. Thermische und kalte Neutronen (mit Energien von 25 mev und darunter) können absorbiert werden, inkohärent an einzelnen Atomen oder kohärent an Kristallgittern gestreut werden. Die Wahrscheinlichkeit für Absorption folgt dabei keiner einfachen Regelmäßigkeit, sondern hängt vom inneren Aufbau der Atomkerne der Probe ab. Bild 1 zeigt den Massenschwächungskoeffizient der Elemente für 120 kev-röntgenstrahlen, 1,25 MeV-Gammastrahlen (Co60), schnelle und thermische Neutronen. Während die Kurve für Röntgenstrahlen mit der Ordnungszahl ansteigt und die Kurve für schnelle Neutronen mit steigender Masse der Probenkerne abnimmt, gibt es keine offensichtliche Regelmäßigkeit für thermische Neutronen. Als wichtigster Unterschied zu Röntgenstrahlen fällt auf, dass die Schwächung der meisten Metalle wie Aluminium und Eisen viel geringer ist als für Röntgenstrahlen, während die Abschwächung durch Wasserstoff (Streuung durch Stoß gleichschwerer Partner) sehr hoch ist. Blei ist ebenfalls sehr transparent für Neutronen. Bild 2 zeigt die relative Schwächung von 1 cm und 4 cm Dicke verschiedener Materialien für die verschiedenen Strahlungsarten. 1 cm Wasser ist für thermische Neutronen schon fast undurchdringlich, während Metalle wie Magnesium, Aluminium, Chrom, Mangan, Eisen, Kupfer und Zink und besonders schwere Metalle wie Blei und Wismut ziemlich transparent sind. Dies zeigt die wichtigste Anwendung der Neutronenradiographie, nämlich das Durchdringen von Metallen und der empfindliche Nachweis von Wasserstoff und somit von organischen Substanzen wie Kunststoffe, Klebstoffe, Dichtungen und Schmiermittel. Damit ist die Neutronenradiographie eine zu Röntgen komplementäre Meßmethode. Bild 1. Der Massenschwächungskoeffizient für Röntgen-, Gammstrahlung, schnelle und thermische Neutronen 72

3 Bild 2. Relative Schwächung von 1cm und 4 cm Materialstärke als Grauwerte 2.2 Strahlgeometrien für Radiographie und Tomographie Röntgenröhren erzeugen einen kleinen und intensiven Brennfleck auf der Anode, der als angenäherte Punktquelle einen Kegelstrahl erzeugt (Bild 3). Durch diese Strahlgeometrie ergibt sich eine vergrößernde Projektion, deren Maßstab durch Variation der Probenposition beeinflusst werden kann. Weiterhin können aufgrund der vergrößernden Projektion Details untersucht werden, die sehr viel kleiner als die tatsächliche Punktauflösung des verwendeten Detektors sind. Das Erzeugen einer intensiven Quasi-Punktquelle ist für Neutronen nicht möglich, so dass bei der Neutronenradiographie mit angenäherter Parallelstrahlgeometrie gearbeitet werden muss (Bild 3). Damit ist die Auflösung der Neutronenradiographie auf die tatsächliche Detektorauflösung beschränkt. Bild 3. Kegelstrahlgeometrie (vergrößernd) und Parallelstrahlgeometrie Die Bildschärfe der Abbildung wird in beiden Fällen durch die effektive Quellgröße begrenzt. Ein Punkt oder Volumenelement der Probe wird von der Quelle mit endlichem Durchmesser D im Abstand L auf den Detektor im Abstand l1 auf ein Scheibchen mit Durchmesser d1 projiziert. Dies entspricht einer Lochkamera-Abbildung, bei der die Quelle durch das Probenelement auf den Detektor abgebildet wird. 73

4 Bild 4: Tatsächliche Abbildung Bei der Röntgenabbildung ist L<l1, die Quelle wird also vergrößernd abgebildet, und der Quelldurchmesser ist damit ein unteres Limit für erkennbare Details in der Projektion. Bei der Neutronenabbildung wird ein Kollimator mit einigen Zentimetern Durchmesser als Quelle verwendet, mit einem nachfolgenden Flugrohr von Metern Länge. Da L<<l1 ist, wird die Quelle also stark verkleinert abgebildet, und die Auflösung ist erheblich höher als der Quelldurchmesser. In der Praxis ist die Auflösung durch den Detektor und den verwendeten Leuchtschirm auf Mikrometer begrenzt. 2.3 Vergleich von Röntgen- und Neutronenradiographie Bild 5 zeigt eine Neutronenradiographie einer Diesel-Einspritzpumpe. Aluminium ist sehr transparent für Neutronen (bis 20 cm Dicke und mehr), Eisen wird ab ca. 5-6 cm Dicke undurchdringlich. Gut im Bild zu sehen sind mehrere Gummidichtungen und O-Ringe sowie Ölreste in einem Gewinde. Bild 5. Neutronenradiographie einer Diesel-Einspritzpumpe Bild 6 zeigt den direkten Vergleich von Röntgen- und Neutronenradiographie eines Modellflugzeug- Motors. Der Plastikpropeller ist für Röntgen transparent, für Neutronen nahezu undurchdringlich. Dafür sind die für Röntgen schwer durchdringlichen Stahlteile im Neutronenbild gut durchdrungen, während sogar Ölreste im Auspuff sichtbar werden. Bild 7 zeigt eine Computerplatine, von der Die Röntgenaufnahme hauptsächliche Metallteile zeigt, während die Neutronenaufnahme vornehmlich Plastikteile zeigt Neutronen eignen sich auch sehr gut, um Feuchte in porösen Materialien (Sandstein, Holz, Strukturmaterialien aus Luft- und Raumfahrt) zu detektieren. Bild 1 zeigt, dass von allen Elementen Gadolinium den höchsten Kontrast für Neutronen liefert. Zur Detektion von Spalten und Rissen kann daher Gadolinium-haltiges Kontrastmittel eingesetzt werden, welches schon in kleinen Mengen sehr hohe Kontraste liefert. 74

5 Bild 6. Foto, Röntgen- und Neutronenradiographie eines Modellflugzeugmotors Bild 7. Foto, Röntgen- und Neutronenradiographie einer Computerplatine 2.4 Tomographie mit Neutronen Für Parallelstrahlgeometrie genügt in erster Näherung eine Drehung um 180 Grad, da aufgrund fehlender Vergrößerung die folgenden Bilder redundant sind. Da in geringem Maße jedoch auch bei Neutronen Strahlaufhärtung stattfindet, wird die Qualität der Rekonstruktionen bei Aufnahmen über 360 Grad gesteigert. Die einzelnen Detektorzeilen liefern Daten für zeilenweise unanhängige Rekonstruktion der Schichten. Da die Behandlung von 3D-Daten völlig analog zum Röntgenfall abläuft, wird hier nur ein einziges Beispiel für 3D-Daten gezeigt. Bild 8 zeigt Radiographie und Rekonstruktion von extrahierten Rattenlungen von ca. 4 cm Größe. Die gewonnen Daten helfen bei der Entwicklung eines Computermodells von Lungen, mit dem Ziel, Strömungs- und Druckverhältnisse zu simulieren, um in der Humanmedizin Beatmungstechniken in Krankenhäusern zu verbessern. Diese Aufnahmen sind mit Röntgenstrahlen nicht möglich, da die dünnen Gefäßwände zu wenig Kontrast liefern. Für Neutron hingegen liefert das wasserstoffreiche Gewebe hohen Kontrast. Massives Muskelgewebe wäre für Neutronen undurchdringlich. 75

6 Bild 8.Neutronenradiographie und Tomographie einer Rattenlunge 2.5 Stroboskopische Radiographie mit Neutronen Im Vergleich zu einer intensiven Röntgen- oder Synchrotronquelle ist selbst ein Forschungsreaktor eine Quelle von geringer Intensität. Die Primärintensität reicht nicht aus, um bewegte Neutronenbilder mit Zeitauflösungen im Bereich von Millisekunden und darunter aufzunehmen, doch können periodische Vorgänge wie ein drehender Automotor mit einer stroboskopischen Technik aufgenommen werden. Dazu wird ein neutronenempfindlicher Leuchtschirm, ein Spiegel sowie eine gekühlte CCD- Kamera mit Bildverstärker verwendet [2]. Mittels eines Sensors auf der Nockenwelle wird der Bildverstärker als Verschluß auf den hier mit U/min elektrisch fremdangetriebenen Motor synchronisiert. Der Verschluß wird über mehrere hundert Umdrehungen an der gleichen Stelle der Rotation geöffnet, bis genügend Photoelektronen auf der Kamera akkumuliert sind und das Bild ausgelesen werden kann. Danach wird das Zeitfenster innerhalb der Periode verschoben und der Vorgang wiederholt, bis aus den so gewonnenen Bildern ein Film zusammengesetzt werden kann. Auf diese Weise konnte erstmals die Ölkühlung der Kolben im Lauf sichtbar gemacht werden: Bei diesem Motor wird im Lauf ein Ölstrahl von unten an den Kolbenboden gespritzt, um die Wärmeabfuhr zu gewährleisten und die Kolbentemperatur um über 200 Grad zu senken. Bei dieser Messung wurde der Motor nur mit 600 U/min fremdangetrieben, was deutlich unterhalb der nominellen Leerlaufdrehzahl liegt. Bei dieser zu niedrigen Drehzahl erreicht die Ölpumpe nicht mehr den vollen Betriebsdruck und arbeitet unregelmäßig, wodurch beim letzten Zylinder an der Druckleitung einzelne Öltropfen hochgeschossen werden (Bild 9). 76

7 Bild 9.Stroboskopische Aufnahme eines laufenden Motors bei nur 600 U/min 3 Zusammenfassung Fast alle bildgebenden Verfahren, die mit Röntgenstrahlen möglich sind, können auch mit Neutronenstrahlen durchgeführt werden. Neutronen sind dabei keine Konkurrenz, sondern eine ideale Ergänzung zu Röntgenuntersuchungen, da sie komplementäre Informationen liefern. Aufgrund der leichteren Verfügbarkeit sind Röntgenstrahlen stets erste Wahl, doch wo Röntgenstrahlen nicht weiterhelfen, da stehen die Chancen gut, die Problemstellung mit Neutronen zu lösen. Das Verfahren eignet sich insbesondere, um Feuchte, Kunststoffe und organische Materialien auch durch Metallwandungen hindurch nachzuweisen. Technische Radiographie und Tomographie werden Industriekunden am Forschungsreaktor FRM II der Technischen Universität München als Dienstleistung angeboten. Wissenschaftliche, zu veröffentlichende Fragestellungen werden im Rahmen von Forschungsproposals kostenfrei untersucht, proprietäre Auftragsmessungen sind mit maßvollen Kosten verbunden. Referenzen [1] B. Schillinger, E. Calzada, K. Lorenz, Modern neutron imaging: Radiography, Tomography, dynamic and phase contrast imaging with neutrons, Solid State Phenomena Vol. 112 (May 2006) pp.61-72, Transtech Publications, online at [2] B. Schillinger, J. Brunner, E. Calzada, A study of oil lubrication in a rotating engine using stroboscopic neutron imaging, Physica B: Condensed Matter, Vol , Part 2, 15 Nov. 2006, pp

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