Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Für die Durchstrahlungspraxis besteht der wesentliche Nutzen einer Computersimulation in einer theoretischen Vorhersage der Leistungsfähigkeit der eingesetzten Prüfmethode. Dies schließt die der ZfP-Methode zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen sowie ihre technische Realisierung ein. Anwendung findet die Computersimulation zur Parameteroptimierung, für Durchführbarkeitsuntersuchungen und als Hilfsmittel bei der Auswertung und Beurteilung von Prüfergebnissen, insbesondere bei komplizierter Werkstückgeometrie, wo es zur überlagerung von Struktur- und Fehleranzeigen kommen kann. Damit kann der Einsatz der Computersimulation die Planung und die Auswertung von zerstörungsfreien Prüfungen unterstützen. Als weitere Bereiche seien hier das prüfgerechte Konstruieren und die Ausbildung von Prüfpersonal genannt, bei denen die Computersimulation unterstützend eingesetzt wird. In der vorliegenden Arbeit beschränken sich die Autoren auf radiographische Verfahren.
Die Computersimulation erfordert die Erfassung des gesamten Durchstrahlungsprozesses von der Strahlungserzeugung über die Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie bis zum Strahlungsnachweis. In früheren Arbeiten wurden Ansätze zur Beschreibung der Durchstrahlungsprüfung vorgestellt (vgl. u.a.[1-5]), die auf der Grundlage vereinfachter physikalischer Annahmen komplexe Prüfsituationen behandeln können. Dabei werden physikalische Modelle für die Erzeugung von Röntgen- bzw. Gammastrahlung, die zu berücksichtigenden Wechselwirkungmechanismen und den Strahlennachweis zusammen mit der Erfassung realistischer Prüfaufgaben einschließlich komplexer Prüfobjekte diskutiert. Zur Ergänzung der dort diskutierten Modelle wird hier die Beschreibung von Film-Folien-Systemen exemplarisch betrachtet. Auf der Grundlage experimenteller und theoretischer Untersuchungen wird eine empirische Beschreibung für ein Röntgenfilm-Verstärkerfolien-System vorgestellt. Die experimentellen Untersuchungen dienen zur Erfassung der Response des Gesamtsystems, während die theoretischen Untersuchungen zum Verständnis der in der Verstärkerfolie ablaufenden Prozesse beitragen. Entsprechend gliedert sich der Beitrag in einen experimentellen und einen theoretischen Abschnitt. Abschließend wird ein vereinfachtes empirisches Modell zur Beschreibung von Film-Folien-Systemen vorgeschlagen, welches bei weiteren Untersuchungen zu quantifizieren ist und die Untersuchung einzelner Einflußgrößen erlaubt.
Der Zusammenhang zwischen Strahlungsdosis und optischer Dichte des Filmes wird durch die Charakteristische Kurve eines Film-Folien-Systems beschrieben. Zur experimentellen Bestimmung dieser übertragungsfunktion kann eine entsprechende Stufenbelichtung benutzt werden.
Abb 1: Stufenbelichtung.
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Die Stufenbelichtung wurde hier[6] nach der in Abb.1 dargestellten Durchstrahlungsanordnung realisiert. über Bleiblenden werden Stufen von ca. 10x20 mm² Größe mit homogener Filmschwärzung auf einem Film belichtet. Die Belichtungszeit für eine solche Stufe kann im Bereich von 1s bis ca. 500s per Computer ausgewählt werden. Nach der Belichtung einer Stufe wird der Film mit einem Isel-Antrieb computergesteuert um ca. 12mm entlang der X-Achse verschoben, so daß eine weitere Stufe belichtet werden kann. Bis zu ca. 15 Stufen unterschiedlicher Belichtungszeit können auf diese Weise auf einem Film von 10x24cm² untergebracht werden.
Abb.2 stellt beispielhaft eine derart gemessene übertragungsfunktion dar. Für das Film-Folien-System AGFA RCF/F8 ist die um die Schleierschwärzung verminderte optische Dichte über der Belichtungszeit als Dosisäquivalent der entsprechenden Schwärzungsstufen aufgetragen. Die Belichtung erfolgte mit einem Iridium-192-Strahler. Die Sättigungsschwärzung des Filmtypes F8 liegt bei ca. D=5, was nicht typisch für einen ZfP-Film ist.
Weiterhin wurde die Stufenbelichtung zur Untersuchung des Einflusses der Streustrahlung wiederholt, wobei bis zu fünf Stahlplatten der Dicke 10mm im Strahlengang positioniert wurden.
Eine Rückrechung der Dosisleistungsreduzierung in Abhängigkeit der durchstrahlten Stahlplattendicke nach dem exponentiellen Absorptionsgesetz mit einem Absorptionskoeffizienten von m =0,7cm-1 läßt im Rahmen der experimentellen Genauigkeit die Filmkurven aufeinanderfallen. Abweichungen davon sollten jetzt nur noch durch die Strahlaufhärtung erklärbar sein. Ein Einfluß von Streustrahlung ist nicht erkennbar. Interessanterweise ist der Absorptionskoeffizient m im Bereich von 0-50mm Stahl konstant. Die sonst beobachtbare Reduzierung von m z.B. an Stufenkeilen ist auf die mit steigender Wanddicke stärker werdende Streustrahlung zurückzuführen, die der am Stufenkeil anliegende Film registriert. Bei der hier benutzten Durchstrahlungsanordnung ist diese Streustrahlung vom Film gut abgeschirmt, so daß hier kein Einfluß meßbar ist.
Abb 2: Charakteristische Kurve für das Film-Folien-System AGFA RCF/F8.
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Abb 3: Charakteristische Kurven bei Durchstrahlung verschiedener Wanddicken (Stahl) und Korrektur der Dosisleistungsreduzierung nach dem Absorptionsgesetz.
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Zur Diskussion der Eigenschaften von Verstärkerfolien und deren Beitrag zur Filmschwärzung, ist eine detaillierte Kenntnis der in der Folie ablaufenden primären und sekundären Wechselwirkungsmechanismen notwendig. Eine übersicht ist in den Abbildungen4 und5 gegeben, wobei als Primärprozesse nur die Fotoabsorption und die Streuung berücksichtigt werden.
Bei der Fotoabsorption wird ein Elektron aus einer inneren Schale herausgeschlagen. Dabei wird ein Teil der Energie des stoßenden Photons dem Fotoelektron als kinetische Energie mitgegeben. Zurück bleibt ein angeregtes Ion mit einer Innerschalenvakanz. Durch innere Rekombinationsprozesse wird die Vakanz aufgefüllt. Dabei kann es entweder durch Röntgenfluoreszenz zur Emission eines Photons kommen oder die freiwerdende Energie wird zur Erzeugung eines Auger-Elektrons benutzt. Das entstehende Photon unterliegt, wie jedes andere Photon, wiederum den betrachteten Wechselwirkungsmechanismen, d.h. Streuung und Absorption. Die erzeugten Elektronen unterliegen ebenfalls Wechelwirkungen, wie in Abb.4 gezeigt, oder verlassen das Material.
Abb 4: Sekundärwechselwirkungen nach der Fotoabsorption.
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Im Vergleich zur Fotoabsorption sind in Abb.5 die Sekundäreffekte aufgezeigt, die sich an die Streuung des Photon anschließen. Da die Streuung einen Stoß der Photonen mit den Außenschalenelektronen darstellt, kann in guter Näherung von einer Wechselwirkung des Photons mit einem freien Elektron ausgegangen werden. Dementsprechend kann eine Anregung des Atoms vernachlässigt werden. Die gestreuten Photonen können wiederum gestreut oder absorbiert werden.
Im Ergebnis der diskutierten Primär- und sich anschließenden Sekundäreffekte interessieren im Weiteren nur solche Beiträge, die die Verstärkerfolie verlassen und zur Erzeugung des latenten Bildes beitragen. Weiterhin sollen nur Photonen mit einer Energie von mehr als 1keV betrachtet werden, d.h. die Ausbeute von Photonen im Bereich des sichtbaren Lichtes wird vernachlässigt.
Abb 5: Sekundärwechselwirkungen nach der Streuung.
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Mit Hilfe des n-Teilchen Monte-Carlo-Codes MCNP[7] können die beschriebenen Mechanismen im Detail erfaßt werden. Damit ist es möglich, die auftretenden Beiträge von Elektronen und Photonen zu separieren. Zum Vergleich werden zwei unterschiedliche Folientypen herangezogen, wie sie in der Praxis eingesetzt werden. Erste Ergebnisse für 0.027mm Bleifolien und 0.200mm Salzfolien (Leuchtstoff: CaWO4) sind in den Abbildungen6-8 dargestellt. Dabei wird von monochromatischer Strahlung und einem Nadelstrahl ausgegangen, um die Verwaschungsfunktion, d.h. den Beitrag der Verstärkerfolie zur inneren Unschärfe der radiographischen Abbildung zu untersuchen. Wie Abb.6 zu entnehmen ist, ist die Elektronenausbeute für die Bleifolie fast doppelt so groß wie bei der Salzfolie. Da im Prinzip alle Elektronen, die die Filmemulsion erreichen, aufgrund der extrem kurzen Reichweite in der Emulsion absorbiert werden, tragen sie zur Aktivierung eines Kornes bei, was die Verstärkungseigenschaften der Schwermetallfolien erklärt. Andererseits verlassen ungefähr doppelt so viele gestreute Photonen die Salzfolie im Vergleich zur Bleifolie (siehe Abb.7), was aufgrund der unterschiedlichen Dichte beider Materialien verständlich wird. Abb.8 stellt die Röntgenfluoreszenzausbeute für beide Folien dar, wobei nur übergänge größer 1keV berücksichtigt wurden, da der Energiebereich kleiner 1keV durch MCNP nicht abgedeckt wird. Damit wird aber der Hauptanteil der Lichtausbeute der Salzfolie (Emission im Bereich des sichtbaren Lichtes bei einer Wellenlänge von ca.450nm) nicht erfaßt. Somit kann im Rahmen dieser Untersuchung die Verstärkungswirkung von Fluoreszenzfolien nicht quantitativiziert werden.
Folgende erste Aussagen lassen sich bezüglich der Verwaschungsfunktion treffen: Es zeigt sich, daß sich die Verwaschungsfunktion sowohl für die Elektronen als auch für die gestreuten Photonen gut durch eine Lorentzfunktion annähern läßt, was frühere Untersuchungen der Modulationsübertragungsfunktion für Film-Folien-Systeme bestätigt. Weiterhin zeigt sich, daß die Halbwertsbreite für die Elektronenverteilung für Blei im Bereich der Foliendicke liegt. Für die Salzfolie, deren Dicke im Vergleich zur Bleifolie um den Faktor 10 größer ist, konnte keine zusätzliche Verbreiterung der Verwaschungsfunktion beobachtet werden, so daß für die Elektronen kein direkter Zusammenhang zwischen Foliendicke und Halbwertsbreite beobachtet werden konnte. Wird hingegen die Verteilung der gestreuten Photonen betrachtet, so ergibt sich eine Verbreiterung der Verteilung mit der Dicke der verwendeten Folie. Vergleicht man aber die Streuintensität mit der Primärintensität, hier gegeben durch 3.2 .104cm-2, so zeigt sich, daß der Beitrag der in der Folie gestreuten Photonen zur Abbildung vernachlässigbar ist. Eine grobe Abschätzung der in der Emulsion (Dicke 20mm) absorbierten Photonen ergibt ein Verhältnis von ca. 2:1 im Vergleich zu den erzeugten Elektronen.
Abb 6: Verteilung der erzeugten Elektronen (310 keV Photonen, Nadelstrahl).
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Abb 7: Verteilung der gestreuten Photonen (310 keV Photonen, Nadelstrahl).
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Abb 8: Verteilung der Fluoreszenzphotonen (310 keV Photonen, Nadelstrahl).
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Die Untersuchungen haben gezeigt, daß aufgrund der Komplexität der bei der Filmbelichtung ablaufenden Prozesse eine einheitliche theoretische Beschreibung nicht zur Verfügung steht. Vielmehr erweist es sich für praktische Fragestellungen als sinnvoll, zur Beschreibung des Film-Folien-Systems ein empirisches Modell zu verwenden, das sich sowohl aus experimentellen Resultaten als auch aus rein theoretisch gewonnenen Erkenntnissen zusammensetzt. Zur Erfassung der übertragungseigenschaften Dosis (r) Schwärzung wird daher ein experimenteller Ansatz verfolgt. Dabei ist die spektrale Empfindlichkeit des Systems noch im Detail zu untersuchen. Zur Bestimmung der Inneren Unschärfe, also der Punktspreizwirkung der verwendeten Verstärkerfolie, erweist sich der Einsatz von Monte-Carlo-Simulationen als vernünftig, zumal damit auch eine Optimierung der Foliendicke und -art bezüglich der Elektronenausbeute als Funktion der Strahlungsenergie möglich wird. Andererseits kann die Wirkung der Folie als Streustrahlenfilter im oberen Energiebereich untersucht werden. Bisher vollkommen unberücksichtigt geblieben ist die Körnigkeit, die durch sD beschrieben wird und experimentell zugänglich ist.
In künftigen Untersuchungen sind die hier angerissenen drei Komponenten weiter zu untersuchen und die Ansätze durch einen direkten Vergleich mit realistischen Radiographien zu verifizieren. Zusätzlich ist zur Erfassung der Lichtausbeute von Salzfolien die Modellbildung auf den entsprechenden Energiebereich zu erweitern.
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