Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
START| DGZfP-JAHRESTAGUNG 2001 Zerstörungsfreie Materialprüfung | ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD | START |
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An Speicherfoliensystemen für die industrielle Durchstrahlungsprüfung (Agfa DPS Prototyp, FujiFilm AC-3, Lumisys ACR 2000), bestehend aus wiederverwendbaren Speicherfolien, Auslese- und Löschgeräten, wurden die Abhängigkeit der Signalintensität von der Strahlungsdosis gemessen, die Signal-Rausch-Verhältnisse (SNR) und das Ortsauflösungsvermögen bestimmt. Anhand dieser Parameter wurden verschiedene Systeme verglichen. Um SNR-Messergebnisse übersichtlich darzustellen, wurde die Dosis ermittelt, mit der ein vorgegebener SNR-Wert erreicht wird.
Das SNR hängt nicht nur von den verwendeten Folien ab, sondern auch von den eingesetzten Auslesegeräten und teilweise von ihren Einstellungsparametern ab. Bei einem der eingesetzten Geräten zeigte sich eine deutliche Abhängigkeit von der eingestellten Pixelgröße. Mit Ausnahme einer Spezialfolie für hohe Ortsauflösung erreichten Speicherfolien einen vorgegebenen SNR-Wert bei wesentlich geringerer Dosis als Röntgenfilme. Das örtliche Auflösungsvermögen wurde mittels eines Doppeldrahtsteges nach EN 462-5 und der Modulationstransferfunktion (MTF) nach Aufnahme einer Platinkante bestimmt. Speicherfolien mit dem höchsten Auflösungsvermögen (6Linienpaare / mm) wiesen das geringste SNR auf, das schnelle Erreichen hoher SNR-Werte geschieht auf Kosten der Ortsauflösung (2 - 3 Linienpaare / mm). In einem Gerät wird die Ortsauflösung durch eine fest vorgegebene Pixelgröße limitiert (ca. 5 Linienpaare / mm).
Ein Vorteil der Speicherfoliensysteme ist die gegenüber dem Film wesentlich größere Dynamik, wodurch das Risiko einer Fehlbelichtung erheblich gemindert wird. Eine Unterbelichtung führt zu einem unzulässig geringen SNR, Überbelichtungen sind unkritisch, da sie durch ein unempfindlicheres Einscannen kompensiert werden können. Für den praktischen Einsatz ist der explizite Verwendungszweck bei der Wahl geeigneter Speicherfoliensysteme hinsichtlich der Ortsauflösung (Risse, feine Details) und des SNR (Korrosion, Wanddickenkontrast) zu berücksichtigen. Die Mindestanforderungen an Speicherfoliensysteme für ZfP-Anforderungen sind im CEN - Normentwurf " Non-destructive testing - Industrial computed radiography with storage phosphor imaging plates" und in den ASTM-Standards E 2033 und E 2007 [6] beschrieben.
Speicherfoliensysteme stehen seit über einem Jahrzehnt für routinemäßige Anwendungen in der Medizin alternativ zum klassischen Röntgenfilmsystem zur Verfügung [1]; prinzipiell sind sie ebenso für die zerstörungsfreie Prüfungen im industriellen Bereich einsetzbar [2]. Im Unterschied zum klassischen Filmverfahren liegt das Ergebnis in Form einer digitalen Datei vor, das resultierende Bild kann mit Hilfe von Computern betrachtet werden. Hierauf basiert im Englischen der Begriff "Computed Radiography" als Teilbereich der digitalen Radiographie. Die Qualität einer radiographischen Aufnahme ist zum einen, wie beim Film, von der verwendeten Speicherfolie als Aufnahmeträger, zum anderen aber auch vom Ausleseverfahren abhängig. Zur Charakterisierung eines Speicherfoliensystems müssen daher stets Folie und Auslesegerät zusammen bewertet werden.
Abb 2: Speicherfolien: Funktionsprinzip.
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Abb 1: Lumineszenz durch Röntgenstahlung.
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Zu einem vollständigen Speicherfoliensystem gehören also die wiederverwendbare Speicherfolie, die sich während und nach der Durchstrahlungsaufnahme in einer lichtgeschützten Kassette oder lichtdichten Plastiktasche befinden muss, ein Auslesegerät mit entsprechendem Datenverarbeitungs- und Steuersystem und eine Löschvorrichtung. Die Folien können gleichermaßen wie Röntgenfilme am Objekt angebracht werden, da sie flexibel ist.
Es stehen unterschiedliche Speicherfolientypen und Gerätevarianten zur Verfügung, wobei die ursprüngliche medizinische Anwendungsausrichtung teilweise noch zu erkennen ist. Folien und Geräte sind durch die Verwendung geschlossener Kassettensysteme bei einigen Bauarten nur eingeschränkt untereinander austauschbar. So können beim vorhandenen FujiFilm-System nur die dafür vorgesehenen Folien in den entsprechend angepassten Kassetten verwendet werden, bei kassettenunabhängigen Instrumenten (z.B. ACR 2000) können alle Folien mit einer vorgegebenen Mindeststärke (für das Transportsystem) und Höchstbreite eingelesen werden. Sie müssen dann aber von Hand den Kassetten entnommen und in das Gerät eingeführt werden.
| ST-VN: (FujiFilm) | dickschichtige Speicherfolie für schnelle Belichtungen in der ZfP |
| MD10: (Agfa) | mittelschichtiger Prototyp einer Entwicklung aus medizinischen Folien für die ZfP |
| BAS III:(FujiFilm) | mittelschichtige Folie, ursprünglich für biomedizinische Zwecke |
| 4LL QNR: (Agfa) | dünnschichtiger Prototyp, blau eingefärbt, für hohe räumliche Auflösung |
| Tabelle 1: Vergleich folgender Speicherfolien. | |
Die verwendeten Speicherfolien (s. Tabelle 1) unterscheiden sich am auffälligsten in der Schichtdicke, wodurch auch ihre Empfindlichkeit wesentlich bestimmt wird. Dickschichtige Folien zeichnen sich durch kurze Belichtungszeiten aus. Für die Erkennung struktureller Feinheiten wurden spezielle dünnschichtige entwickelt, die zudem blau eingefärbt sind. Diese Einfärbung dient zur Absorption von Streulicht beim Auslesen.
| Gerät | Pixelabstand | Digitalisierung, Kennlinie* | |
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ACR 2000: (Lumisys) |
Tischgerät, auch mobil einsetzbar, getrenntes Löschgerät |
variabel, mind. 85 mm |
12 Bit, log, Lat. = 4 |
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DPS Prototyp: (Agfa) |
stationäres Laborgerät, optionales Löschen der Folie |
variabel, mind. 28 mm |
12 Bit, Quadratwurzel |
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AC - 3: (FujiFilm) |
geschlossene Konsole, integriertes Löschen nach jeder Auslesung |
fest, 100 mm |
10 Bit, log, Lat. = 2 .. 3 |
| *) log = dekadischer Logarithmus, Lat. = Latitude (PSL-Dynamikumfang in Dekaden) | |||
| Tabelle 2: Verwendete Folienlesegeräte | |||
Die verwendeten Auslesegeräte sind in Tabelle 2 aufgeführt und in der Abb. 3 fotografisch wiedergegeben. Um einen möglichst großen dynamischen Wertebereich mit einer vorgegebenen Digitalisierungsbreite wiederzugeben, arbeiten die Geräte mit nichtlinearen Wandlerkennlinien. Bei einer logarithmischen Kennlinie wird die Anzahl der dekadischen Größenordnungen (Latitude) des dargestellten Bereiches angegeben. Unter den eingesetzten Systemen ist das ACR 2000 von Lumisys (bezogen über Agfa) als einziges Gerät hinreichend mobil, um es vor Ort und im Gelände einzusetzen. Beim AC-3 von FujiFilm zeugen die einfachen Bedienungsmodi und die extrem schnelle Ausleseprozedur von der ursprünglichen Entwicklung zum Einsatz im medizinischen Bereich. Der DPS Prototyp (Agfa) ist nicht für mobile Einsätze geeignet.
a) ACR 2000 (Lumisys)
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b) DPS Prototyp (Agfa)
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c) AC-3 (FujiFilm)
Abb 3: Verwendete Speicherfolienlesegeräte. | | ||
Signal/Rausch-Verhältnisse (SNR) wurden in Analogie zu [5] sowohl mit stufenweiser Zeitbelichtung (wie in EN 584-1 ([5]) für Filmsystemklassifizierung beschrieben) als auch anhand von Aufnahmen mit Kupfer-Stufenkeilen bestimmt. In beiden Fällen betrug die Röhrenspannung 220 kV, bei der Kupfer eine Halbwertsdicke von 3,5 mm hat. Röhrenseitig war ein Kupfer-Vorfilter von 8 mm Dicke angebracht. Bei der ersten Methode wurden mit einem Film-Fokus-Abstand (FFA) von 960 mm abgegrenzte Flächen mit stufenweise wachsenden Dosen (durch Variation der Belichtungszeit) bestrahlt, bei der zweiten ein Kupfer-Stufenkeil abgebildet. Dabei betrug der Fokus-Objekt-Abstand 500 mm, der FFA wahlweise 1000 oder 1500 mm (2,25-fache Erniedrigung der Dosisleistung). Mit dem letzteren Verfahren waren geringere Expositionen möglich als mit der Stufenbelichtung. Die Ergebnisse beider Methoden gingen, nach Umrechnung der Kupferabsorption mit Berücksichtigung der Strahlenaufhärtung in die entsprechend verminderte Dosis, nahtlos ineinander über (Abb. 4).
Abb 4: Signal/Rausch-Verhältnisse der Folie BAS III auf dem System ACR 2000
Symbole: d: Zeitstufenbelichtung, D: Stufenkeilabbildung, volle Symbole: Aufnahmen mit 0,1 mm Blei-Vorderfolie, leere Symbole: ohne Vorderfolie. |
In der Abb. 4 ist das SNR von 61,3 und eine dosisäquivalente Belichtungsgröße von 143,5 mAs grafisch hervorgehoben. Mit dieser Belichtung wird bei einem Agfa-Röntgenfilm vom Typ D7 (= C5) eine optische Dichte (Schwärzung) von D = 2 über Schleier erreicht. Diesen SNR-Wert bei dieser Dosis betrachteten wir vorläufig als Bezugsgröße zum Röntgenfilmsystem C5. In der Darstellung ist er mit "Referenzpunkt" gekennzeichnet. Als Vergleichsmaß zwischen den Speicherfoliensystemen wurde die Dosis definiert, die zum Erreichen dieses SNR-Wertes im digitalen Bild benötigt wird, die Ergebnisse sind in den folgenden Tabellen 3 - 4 und der Abb. 5 zusammengefasst. Beim Systemvergleich wurde ein Gerät gewählt, mit dem alle Folien gelesen werden konnten, und ein Folientyp, den alle Gerätesysteme akzeptierten.
| Folie | Dosisäquivalent / mAs (ohne Pb-Folie) | Pb-Folie 0,1 mm Verstärkungsfaktor |
| ST-VN (FujiFilm) | 2,1 | 1,2 |
| MD10 (Agfa) | 7,3 | 1,2 |
| BAS III (FujiFilm) | 8,3 | 1,4 |
| 4LL QNR (Agfa) | 275,7 | 1,9 |
| Tabelle 3: Folienvergleich auf ACR 2000 (300dpi Auflösung, 220 kV, 8 mm Cu) | ||
Dickschichtige Folien (ST-VN) erreichten schneller den vorgegebenen SNR-Wert. Bleivorderfolien hatten nur bei dünnschichtigen Speicherfolien (4LL QNR) einen markanten Effekt auf das SNR. Prinzipiell lassen sich durch unterschiedliche Belichtungszeiten verschiedene Systemklassen (SNR) mit der gleichen Folie erreichen [6].
| Gerät | Dosisäquivalent zur Erreichung von SNR = 61,3 / mAs |
| ACR 2000 (Lumisys) | 1,7 |
| AC - 3 (FujiFilm) | 2,3 |
| DPS Prototyp (Agfa) | 4,5 |
| Tabelle 4: Gerätevergleich mit ST-VN (250 dpi Auflösung) | |
Auslesegeräte mit unterschiedlichem Aufbau lieferten voneinander abweichende Ergebnisse. Als wesentliche Ursachen dafür kommen sowohl Pixel- und Laserfleckgröße als auch die Auslesegeschwindigkeit in Betracht. Bei einem Gerät, dem DPS Prototyp, bestand die Möglichkeit, den Pixelabstand bei konstanter Scangeschwindigkeit zu variieren. Die hiermit durchgeführten SNR-Messungen zeigten eine deutliche Abhängigkeit vom eingestellten Pixelabstand (Abb. 5). Mit kleiner werdendem Abstand wurden höhere Strahlungsdosen benötigt, um ein vorgegebenes SNR zu erreichen. Damit gleichbedeutend ist, dass mit größeren Pixelabmessungen, d.h. beim Auslesen einer größeren Fläche pro Pixel, bessere SNR-Werte erzielt werden.
Abb 5: Einfluss der Pixelgröße auf das Ausleseergebnis.
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Die Ortsauflösung wurde mit zwei Methoden ermittelt, mittels der Aufnahme eines genormten CERL-B-Doppeldrahtsteges ([7]) und der Modulationstransferfunktion (MTF) einer Platinkante von 7 mm Dicke ([8]). Die erste Messung erfolgte mit 100 kV, 1 mAmin, 1000 mm FFA und der Verwendung eines Brennfleckes von 1,5 x 1,5 mm. Die Ergebnisse sind in Abb. 6 gezeigt. Die Unschärfengrenze bei dickschichtigen Folien (ST-VN) liegt bei 0,25 mm während die Spezialfolie 4LL QNR alle Doppeldrahtstege bis einschließlich 0,05 mm Durchmesser (Nr. 13) auflöst.
Abb 6: Ortsauflösung. |
Für die zweite Bestimmungsmethode wurde eine Platin-Kante von 7 mm Dicke mit einem FFA von 3000 mm, 220 kV, 8 mm Kupfer-Vorfilter, 60 mAmin und einem 1,5 x 1,5 mm Brennfleck aufgenommen. Die Platinkante wurde zuvor mit einem Laserstrahl in Richtung Brennfleck ausgerichtet. Die Speicherfolie befand sich nicht in einer Kassette, sondern in einer lichtdichten und evakuierten Plastiktasche, um den Abstand zur Platinkante so gering wie möglich zu halten. Das Erreichen eines guten Ortsauflösungsvermögen bedingt kleinflächiges Auslesen auf der Geräteseite. Um einen Geräteeinfluss weitgehend auszuschließen, wurde mit dem kleinsten einstellbaren Pixelabstand ausgelesen, dieser lag unterhalb der vom Hersteller angegebenen kleinsten gerätetechnisch erzielbaren wahren Laserfleckgröße von ca. 50 mm. Die Auswertung der MTF ist in Tabelle 5 zusammengefasst.
| Gerät: DPS Prototyp (28,2 m Pixelabstand) | Folie: ST-VN - Folie (mit 250 dpi ausgelesen) | ||
| Folie | Linienpaare / mm | Gerät | Linienpaare / mm |
| 4LL QNR | 5,9 | ACR 2000 | 1,8 |
| MD 10 | 2,9 | DPS Prototyp | 2,0 |
| ST-VN | 2,2 | AC-3 | 2,4 |
| Tabelle 5: Bildgütevergleich (Unschärfe MTF 20 % Wert). | |||
Höhere SNR-Werte bei gleicher Dosis (z.B. ST-VN - Folie) gehen bei Speicherfolien auf Kosten der räumlichen Auflösung. Eine hohe Ortsauflösung wird mit einem schlechten SNR erkauft (z.B. 4LL QNR). Die Unterschiede der gemessenen Linienpaare/mm bei gleicher Speicherfolie und verschiedenen Lesegeräten können z.T. auf den unterschiedlichen Kennlinien beruhen. Eine Linearisierung der Kennlinie wird für weitere Vergleiche vorgesehen. Ähnliche Unschärfen ergeben sich bei Anwendung des Doppeldrahtsteges nach EN 462-5 ([7]), allerdings sind die MTF20-Werte bei der Umrechnung nach [6] zum Vergleich zu verdoppeln.
Um die Abhängigkeit des SNR von der Pixelgröße zu kompensieren, wird im Normentwurf [6] die Verwendung von normierten SNR vorgeschlagen. Die Normierungsgröße ist eine Fläche von 88,6 x 88,6 mm2. Das entspricht der Fläche einer kreisförmigen Abtastung mit einer Blende von 100mm Durchmesser [6] (siehe auch EN 584-1).
Um einen wesentlichen Vorteil der digitalen Radiographie mit Speicherfolien zu demonstrieren, wurde die Abhängigkeit der auf der Folie registrierten photostimulierten Lumineszenz (PSL) von der Dosis über einen weiten Bereich getestet, die Feinabstufung erfolgte sowohl mit einer Stufenbelichtung als auch mit einer Abbildung eines Kupferkeiles. Bei der letzteren Methode wurde anschließend die Absorption in verminderte Dosiswerte unter Berücksichtigung der Strahlungsaufhärtung in der Kupferschicht umgerechnet. Gemessen wurde mit einer ST-VN - Folie auf einem AC-3-Gerät und mit einer BAS III - Folie auf dem ACR-2000 nach einer Stufenbelichtung (konstante Dosis, variable Zeit) und einer Stufenkeilabbildung sowohl mit als auch ohne Pb-Vorderfolie 0,1 mm (volle bzw. leere Symbole). Das Ergebnis in Abb. 7 zeigt eine Linearität über (mindestens) vier Größenordnungen.
Ein weiterer Vorteil dieser digitalen Radiographie (Computed Radiography) besteht darin, dass das Ergebnis in binärer Form vorliegt und an Ort und Stelle digital weiterverarbeitet werden kann. Damit können Details sichtbar gemacht werden, die nicht auf Anhieb bei der ersten Betrachtung erkennbar waren, wie es die Anwendungsbeispiele in den folgenden Abbildungen 7 und 8 zeigen. Grundlage für die Bildverarbeitung ist, dass das digitale Bild wesentlich mehr Graustufen umfasst als das Auge auf dem Monitor erkennen kann. Mit Hilfe geeigneter Filtermethoden lassen sich Details gleichzeitig in hellen und in dunklen Umgebungen hervorheben.
In beiden Beispielen wird prinzipiell die Möglichkeiten einer digitalen Bildverarbeitung gezeigt. Eine Möglichkeit ist die Hervorhebung feiner Strukturen vor ihrem jeweiligen Hintergrund. Mit speziellen Programmen sind auch quantitative Auswertungen möglich [9].
Abb 7: Linearität der photostimulierten Lumineszenz (PSL).
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Originalaufnahme
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nach Bildbearbeitung
Abb 8: Korrosionsschäden im Rohr (5,9 mm Wanddicke,Æ außen 110 mm), Ir-192, FFA = 1000, 1 min, Folie ST-VN, Gerät AC-3.
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Originalaufnahme
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nach Bildbearbeitung
Abb 9: Testschweißnaht (8 mm Stahl bei 100 kV, 7 mA, 20 min, FFA = 1000 mm, Folie 4LL QNR, Gerät ACR 2000, 500 dpi). | | |
Die digitale Radiographie mit Speicherfoliensystemen (Computed Radiography) ist für Anwendungen in der industriellen Durchstrahlungsprüfung geeignet. Je nach Verwendungszweck müssen unterschiedliche Systeme eingesetzt werden: Schnell arbeitende mit dicken Folien (hohe innere Unschärfe) für die Erkennung von Inhomogenitäten im Material (z.B. Lunker in Gussstücken oder Korrosionen) und langsame mit hoher Ortsauflösung für das Auffinden von Rissen und feinen Details (z.B. an Belastungsstellen oder in Schweißnähten). Von Vorteil sind die wesentlich größere Dynamik gegenüber dem Film und die Möglichkeit der digitalen Bildnachbearbeitung zum Zeitpunkt der Betrachtung. Die Klassifizierung und die Anwendung von Speicherfoliensystemen in der ZfP ist im CEN-Normentwurf "ZfP- Industrielle Radiographie mit Speicherfolien" beschrieben [6].
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