Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Der Einsatz der Durchstrahlungsprüfung zur Bestätigung des Kampfstoffverdachtes von Fundmunition hat sich in vielen Fällen bewährt. Die Durchstrahlungsprüfung erfordert für diese Aufgabenstellung ein hohes Maß an Mobilität und Effektivität.
Die Anforderungen des Feuerwerkers an die Qualität radiographischer Aufnahmen werden anhand realistischer Situationen analysiert. Die Funktion und Wirkungsweise von Speicherfoliensystemen wird am Beispiel des kommerziell verfügbaren ACR 2000 beschrieben und über erste Erfahrungen, die beim vor Ort Einsatz eines mobilen Speicherfoliensystems gesammelt wurden, berichtet. Repräsentative Durchstrahlungsbilder von Granaten sollen die Unterschiede zwischen Speicherfolienaufnahmen und Filmaufnahmen verdeutlichen und die daraus resultierenden Auswirkungen auf die Entscheidungsfähigkeit des Feuerwerkers aufzeigen. Erste praktischen Erfahrungen bei der Durchstrahlungsprüfung von Fundmunition ermöglichen die Ableitung von Konsequenzen für den Einsatz mobiler Speicherfoliensysteme.
Schlüsselwörter: Speicherfoliensysteme, Radiographie, Fundmunition, Kampfstoff
Die Expansion der Städte, der Ballungs- und Industriegebiete in der Bundesrepublik fordert einen zunehmenden Flächenbedarf. Eine Lösung des Problems ist die Wiedergewinnung von Flächen, die unter dem Verdacht der Munitionsbelastung stehen. Munitionsbelastete Flächen sind während des I. Weltkrieges und II. Weltkrieges in Ballungs- und Industriezentren, in Kampfgebieten sowie während der jahrzehntenlangen militärischen Nutzung (z.B. Truppenübungsplätze) der in Deutschland stationierten Armeen entstanden. Die Rückgewinnung ehemals genutzter Flächen durch die Munitionsermittlung und eine sich anschließende Munitionsberäumung ist auch dann von Interesse, wenn natürliche Ressourcen nicht in Bauland umgewandelt werden dürfen oder Bauland nur noch im begrenzten Umfang zur Verfügung steht.
Allein im Land Brandenburg werden im Zuge der Flächen- und Ortsberäumung durchschnittlich 300.000 kg Fundmunition pro Jahr gesammelt. In Brandenburg waren im Jahre 1998 750.000 Stück Handwaffenmunition, fast 85.000 Granaten, 915 Minen, 1028 Sprengbomben und 405 Raketen zu beseitigen. Der Anteil der chemischen Kampfstoffmunition unter der Fundmunition liegt in der Regel im Promille Bereich. Trotzdem sind im letzten Jahr in Brandenburg 30 Stück Kampfmunition registriert worden.
Die chemischen Kampfmittel werden in der Bundesrepublik allein durch die Gesellschaft zur Entsorgung von chemischen Kampfstoffen und Rüstungsaltlasten mbH in Munster unter Einhaltung der Umweltauflagen delaboriert und vernichtet. Infolge dessen muß kampfstoffverdächtige Fundmunition immer zwischengelagert und transportiert werden.
Die Munitionssicherung und -beseitigung chemischer Kampfstoffe ist kostenintensiv, weil eine unkontrollierte Kampfstofffreisetzung in die Umwelt möglichst auszuschließen ist. Hinzu kommen die vom Gesetzgeber geforderten Verordnungen und Bestimmungen über den Sicherheits- und Gesundheitsschutz bei der Lagerung, beim Transport und beim Umgang von Kampfmitteln mit vermutlichem Kampfstoffinhalt.
Um unnötige Kosten zu vermeiden, sollte der Kampfstoffverdacht von Munition möglichst immer am Fundort bestätigt bzw. verworfen werden. Darüber hinaus muß gesichert werden, daß keine Kampfstoffgranate in den Munitionszerlegungsbetrieb gelangt und irrtümlich in einer Anlage zerlegt wird, die dafür nicht ausgelegt ist.
Der Kampfstoffverdacht wird während der Munitionsfreilegung zumeist dann ausgesprochen, wenn die eindeutige Identifizierung des Fundstücks nicht möglich ist. Die Identifizierung von Fundmunition durch die Sichtkontrolle erfordert in Deutschland einen hohen Kenntnisgrad über ein breites Munitionsspektrum, da die Munition älter als 90 Jahre sein kann und aus ganz Europa stammt. Infolge der langjährigen Lagerung im Boden können zudem die Kennzeichnungen der chemische Kampfmittel enthaltenden Munition verschwunden sein. Die Anhäufung unterschiedlicher Munition während der zwei Weltkriege und die in Deutschland durchgeführte Munitionsentwicklung hat dazu geführt, daß auch heute noch Munition gefunden wird, die auch erfahrene Feuerwerker noch nie zuvor zu Gesicht bekommen haben.
Der Schütteltest und das Kampfstoffspürgerät bei undichten Munitionskörpern sind wertvolle Hilfsmittel bei der ersten Einschätzung der Munition. Die indirekten Methoden liefern jedoch den Nachweis des Kampfstoffinhaltes nicht immer mit der vom Feuerwerker gewünschten Aussagesicherheit, weil unter Umständen die Füllungen auch fest oder temperaturbedingt gasförmig sein können.
Vorteilhafter kann dagegen die Durchstrahlungsprüfung sein. Ein wesentliches Indiz für chemische Kampfstoffe in der Munition - der Flüssigkeitsspiegel - läßt sich auf dem Durchstrahlungsbild gut abbilden. Anhand der Durchstrahlungsbilder kann zudem der innere Aufbau der Kampfstoffverdachtskörper wiedergegeben und bei Bedarf analysiert werden. Diese Tatsache ist wesentlich wichtiger für den ausgebildeten Feuerwerker, denn in der Regel kann er nur anhand der erkannten vielen Details und Feinheiten der Innenkonstruktion der Munition die Zuordnung bezüglich der Munitionsbauart treffen und somit konventionelle von Kampfstoffmunition richtig unterscheiden.
Mit der radiographischen Aufnahme verfügt der Feuerwerker demzufolge über ein Bild, das im Vergleich zu den indirekten Verfahren eine größere Aussagesicherheit bzgl. des Aufbaus, der Funktion und Wirkungsweise des Fundstücks liefern kann. Dies soll anhand von zwei Beispielen verdeutlicht werden.
Bild 1 zeigt die radiographische Aufnahme einer "Glatten Wurfmine Kaliber 18". Die Aufnahme gibt wesentliche Details des Mineninhaltes wieder. Eine große Mundlochbuchse ist zu erkennen, die für diesen Munitionstyp bei einer Kampfstofffüllung charakteristisch ist. Ein Flüssigkeitsspiegel kann nicht nachgewiesen werden. Die Kontrastunterschiede im Füllungsbereich deuten auf Inhomogenitäten, die für Sprengstoffbefüllungen nicht charakteristisch sind.
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Abb 1: Glatte Wurfmine Kaliber 18 cm | a) Photgraphische Aufnahme b) Durchstrahlungsbild ( D4/C3; U= 300 keV; I= 3 mA; t= 5 min; FFA= 0,6 m). | |
Es ist bekannt, daß bei diesen Geschossen fester granulierter Kampfstoff mit heiß verflüssigtem Sprengstoff beim Füllen vermischt wurde, um bei einer Detonation den an sich schwer flüchtigen Kampfstoff feindispers in der Luft zu verteilen. Die Kontrastunterschiede im Füllungsbereich wurden solchen Kampfstoffpartikelclustern zugeordnet und die Mine demzufolge als Kampfstoffmunition eingeordnet.
In Bild 2 ist die radiographische Aufnahme einer Granate Kaliber 10,5 zu sehen. Nach der Munitionsfreilegung wurde die Granate mit indirekten Methoden untersucht und wegen der Resultate als kampfstoffverdächtig eingeschätzt. Die Vermutungen wurden durch zusätzliche Neutronenrückstreuexperimente bestätigt. Ziel der radiographischen Aufnahme war nun eine abschließende Überprüfung der sich deckenden Aussagen. Die radiographische Aufnahme ließ keinen Flüssigkeitsspiegel erkennen. Bei einer Vergrößerung der Aufnahme ist in der Zünderumgebung (Bild 2b) eindeutig ein Spalt zwischen dem Sprengstoff und der Zündladung zu sehen. Der Spalt charakterisiert das Fundstück als Sprenggranate und schließt damit den Kampfstoffverdacht aus.
Abb 2: Durchstrahlungsbild einer Granate Kaliber 10,5 cm | a) Gesamtaufnahme (D4/C3; U= 280 keV; I= 5 mA; t= 5 min; FFA= 1 m) b) Detaildarstellung des Zünderbereiches. |
Das Verlangen des Feuerwerkers nach guter Detailerkennung der Fundstückinhalte auf dem Röntgenbild impliziert die röntgentechnische Aufgabenstellung zur Herstellung eines Durchstrahlungsbildes mit hohem Kontrast, geringer Unschärfe und geringer Filmkörnigkeit bzw. großem Signal-Rauschverhältnis bei Speicherfoliensystemen.
Diese Anforderungen sind im Standard EN 444 für die Film Radiographie beschrieben. Die Prüfklasse A wird vorerst für die Durchstrahlungsprüfung von Fundmunition als ausreichend angesehen. Für die Arbeit mit Speicherfoliensystemen existiert ein entsprechender Normentwurf [1]. Auch hier wird die Prüfklasse IPA als ausreichend angesehen.
Um Transport- und Lagerkosten zu sparen, findet die Durchstrahlungsprüfung im Regelfall vor Ort, direkt an der Beräumungsstelle statt. Die Durchstrahlungsprüfung chemischer Kampfstoffe unterscheidet sich dahingehend, daß neben dem Strahlenschutz die Regeln für Sicherheit und Gesundheitsschutz bei Arbeiten in chemisch kontaminierten Bereichen und bei Arbeiten mit Explosivstoffen eingehalten werden müssen. Die Maßnahmen zum Schutz gegen chemische Kampfstoffe stellen vor allem eine zusätzliche körperliche Belastung des Personals (persönliche Schutzanzüge, Tragen der Schutzmaske) dar. Darüber hinaus sind zusätzliche personelle und materielle Aufwendungen notwendig. Es bedarf z.B. der Anwesenheit medizinischen Personals vor Ort, das für Unfälle mit chemischen Kampfstoffen geschult ist. Schnelle Transportmöglichkeiten für eventuell verunglücktes Personal (Sani-KfZ; Hubschrauber), spezielle Medikamente sowie Technik für den Havariefall müssen während des Umganges mit den Kampfstoffkörpern vorhanden sein.
Hohe Mobilität und große Effektivität werden darum der Durchstrahlungsprüfung von Kampfstoffkörpern abverlangt.
Strahlerseitig ist die Mobilität auf den Einsatz mobiler Röntgenröhren (bis 300 keV) bzw. Gammastrahler seit langem begrenzt. Die Anwendung von Gammastrahlern ist umstritten, da bei einer explosiven Umsetzung der Munition das potentielle Risiko der radioaktiven Kontamination nicht ausgeschlossen werden kann.
Detektorseitig konnte durch den Einsatz portabler Speicherfoliensysteme die Effektivität und Mobilität der Durchstrahlungsprüfung wesentlich verbessert werden. Die Speicherfolientechnik verfügt über ein im Vergleich zur mobilen Dunkelkammer geringes Gewicht, benötigt keine kontinuierliche Wartung und liefert in wenigen Minuten ein Durchstrahlungsbild auf dem PC.
Grundlagenuntersuchungen an Speicherfoliensystemen haben gezeigt, daß bei Einhaltung der im Standardentwurf zur Computed Radiogrphy [2] geforderten Bedingungen radiographische Aufnahmen mit akzeptabler Bildqualität hergestellt werden können. Die bei kürzerer Meßzeit hergestellten Speicherfolienaufnahmen verfügen im Vergleich zum Röntgenfilm über einen vergleichbaren Kontrast (besser Filmystemklasse C1) und einen größeren Objektumfang. Die Speicherfoliensysteme benötigen im Gegensatz zum Röntgenfilm keine chemische Entwicklung und Fixierung und erzeugen digitale Grauwertbilder, die auf dem PC Monitor betrachtet und mit Hilfe von Bildverarbeitungsprogrammen weiter verarbeitet werden können. Nachteilig für die Speicherfoliensysteme wirkt sich die systembedingte innere Unschärfe aus. Sie hat eine begrenzte Ortsauflösung der Durchstrahlungsbilder zur folge. Trotzdem können die Aufnahmen über einen großen Dickenbereich die Anforderungen des Standards EN 444 Klasse A erfüllen.
Abb 3: Schematische Darstellung eines Speicherfolienzykluses. |
Das Verfahren zur Herstellung einer Aufnahme mit Hilfe eines Speicherfoliensystems ist, wie in Bild 3 schematisch dargestellt, durch drei zeitlich und räumlich getrennte Abschnitte gekennzeichnet. Zuerst erfolgt die Belichtung der mit dem Speicherleuchtstoff beschichten Folie. Die vom Objekt unterschiedlich geschwächte Röntgenstrahlung verursacht proportional zur Strahlungsintensität die Elektronen-Loch-Paar Bildung im Speicherleuchtstoff. Die Paare werden lokal verteilt im Speicherleuchtstoff metastabil gespeichert. Die in der Speicherfolie örtlich differenzierte Verteilung der gespeicherten Energie entspricht einem virtuellen Röntgenbild, das in einem zweiten Schritt mit Hilfe eines im Speicherfolienlesegerät eingebauten Laserscanners über die photostimulierte Lumineszenz ausgelesen werden kann. Während des Abtastens mit dem Laser können die Elektronen-Loch-Paare unter Lumineszenz rekombinieren. Die Lumineszenzphotonen werden über eine Sammeloptik zu einem Photomultiplier geleitet, um sie in ein elektrisches Signal umzusetzen. Dieses zur Röntgendosis proportionale Signal wird nach Durchlaufen einer Signalverarbeitungskette in einen digitalen Wert umgewandelt und auf dem PC gespeichert. Die gespeicherten Werte können im Computer weiter verarbeitet und als Grauwerte auf dem Bildschirm dargestellt werden. Die Grauwertdarstellung auf dem Bildschirm ist einer Röntgenaufnahme sehr ähnlich.
Während des Scannens können die gebildeten Elektronen-Loch-Paare nicht vollständig rekombinieren. Aus diesem Grund muß die gespeicherte Restinformation durch eine intensive Lichteinstrahlung in einem Löschgerät vollständig gelöscht werden. Danach steht die Speicherfolie für weitere Durchstrahlungsaufnahmen wieder zur Verfügung.
Einsatz des mobilen ACR 2000 Speicherfoliensystems zur Durchstrahlungsprüfung in der Beräumungsstelle Krampnitzer Heide
(a) Röntgenröhre + Objekthalter
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(b) Speicherfolien Lese -und Löschgrät
Abb 4: Versuchsaufbau zur mobilen Durchstrahlungsprüfung kampfstoffverdächtiger Granaten in der Krampnitzer-Heide (Land Brandenburg) .
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Die Untersuchungen auf der Beräumungsstelle wurden durchgeführt, um gefundene Munitionskörper identifizieren und hinsichtlich des Kampfstoffverdachts charakterisieren zu können. Bild 4 verdeutlicht anhand beispielgebender Aufnahmen die notwendigen Voraussetzungen für eine Durchstrahlungsprüfung. Zur Durchführung der Experimente wurde an der Beräumungsstelle ein Stromaggregat zur Verfügung gestellt, so daß als Strahlenquelle eine Röntgenröhre Philips G301 (maximale Energie 300 keV) eingesetzt werden konnte. Eine spezielle Probenhalterung wurden in Vorbereitung des Einsatzes entwickelt, um zwei Funktionen zu gewährleisten. Die zur Durchstrahlungsprüfung benötigten Materialien müssen vor unmittelbarem Kontakt mit dem Fundkörper geschützt werden. Zum Nachweis des Flüssigkeitsspiegels ist das Fundstück in einem Winkel von mehreren Grad zur Vertikalen geneigt zu durchstrahlen. Für die Auswertung der belichteten Speicherfolienaufnahmen war ein Tisch in einem kleinen Bauwagen ausreichend.
Dort wurde das portable Auslesegrät (Scanner), der portable PC und das Löschgerät aufgestellt (Bild 4b). Während des Auslesen der Folie und der Auswertung am Monitor war der Bauwagen leicht abgedunkelt worden.
Vorhergehende Untersuchungen zum detektierbaren Dosisbereich des Speicherfoliensystems und Stufenkeilaufnahmen ermöglichten die Erstellung eines Belichtungsdiagramms für die vor Ort eingesetzte Röntgentechnik. Die bei der Prüfung verwendeten Belichtungsparameter richteten sich anfänglich nach der geschätzten Wanddicke des Fundstücks und der Film- bzw. Folienempfindlichkeit.
Um die Qualität der Speicherfolienaufnahme in Bezug auf eine Röntgenaufnahme bewerten zu können, wurden die Scannerparameter des Auslesegerätes so gewählt, daß bei gleichartiger Belichtung die Schwärzung D-D0 = 2 eines Films einem Grauwert 3500 im ACR 2000 System entspricht. Die Untersuchungen erfolgten mit einer Speicherfolie Agfa MD10-2TWQ. Als Filmmaterial wurde in der Regel ein Agfa D7 Film mit Bleifolie der Filmsystemklasse C5 eingesetzt. Zur Aufnahme des Durchstrahlungsbildes wurden die Speicherfolie und der Röntgenfilm als Sandwich angeordnet und somit gleichzeitig belichtet.
Repräsentative Beispiele radiographischer Aufnahmen der durchstrahlten Fundmunition werden in den Bildern 5 bis 9 gezeigt. Um die Unterschiede zwischen den zwei verwendeten Detektionssystemen zu verdeutlichen, werden die Durchstrahlungsbilder der Munitionskörper sowohl als Speicherfolien- als auch Filmaufnahme wiedergegeben.
Abb 5 : Durchstrahlungsbild einer deutschen 7,7 cm Schrapnellgranate
U= 295 keV; I= 5 mA; t= 9 min; FFA= 1 m; | a) D7/C5; 0,1/0,1Pb- V./H. Folie b) ACR 2000 / Agfa MD10-3 Speicherfoliensystem Gain 50; 0,2/0,2Pb- Folie |
In Bild 5 ist die Aufnahme einer deutschen 7,7 Schrapnellgranate zu sehen. Die Bleikugelfüllung ist in beiden Fällen leicht zu erkennen. Die Bilder 6 a und 6b zeigen eindeutig einen schrägliegenden scharfkantigen Kontrastübergang im Granatinneren.
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Abb 6 : Durchstrahlungsbild einer deutschen 15 cm Zwischenbodengranate (Füllung: flüssiger Kampfstoff - vermutlich um Gelbkreuz !) U= 295 keV; FFA= 1 m | a) D7/C5; I= 5 mA; t= 16 min; 0,1/0,1Pb- V./H. Folie b) D8+U8 (Salzfolie); I= 1 mA; t=0,7 min c) ACR 2000 / Agfa MD10-3 System; Gain 50; I= 5 mA; t=16 min; 0,2/0,2Pb- V./H. Folie d) ACR 2000 / Agfa MD10-3 System; Gain 120; I= 5 mA; t= 4 min; 0,2/0,2Pb- V./H. Folie. | |
Der scharfkantige Kontrastübergang ist charakteristisch für ein Flüssigkeitsspiegel: Er erscheint in der Aufnahme schräg, weil während der Durchstrahlungsprüfung die Granate etwa 30° zur Horizontalen geneigt war. Das Fundstück konnte damit eindeutig als eine mit flüssigem Kampfstoff ( vermutlich Gelbkreuz) gefüllte Zwischenbodengranate identifiziert werden. Die radiographischen Aufnahmen in den Bildern 6c und 6d zeigen den Flüssigkeitsspiegel in der Zwischenbodengranate wesentlich verrauschter bzw. nur noch andeutungsweise. Die Belichtungsgröße (Zeit) zur Herstellung der zwei Aufnahme (Bild 6c und Bild 6d) konnte durch den Einsatz eines U8/D8 Salzfolien-Filmsystem bzw. durch die Erhöhung der PMV Verstärkung im Speicherfolienauslesegerät auf ein Zehntel reduziert werden. Obwohl die Aufnahmen mit den vorhergehenden Abbildungen vergleichbare Filmschwärzungen bzw. Grauwertgrößen zeigen, wird wegen der inneren Unschärfe und der erhöhten Filmkörnigkeit des Film-Foliensystems bzw. des geringeren SignalRausch-verhältnises der Flüssigkeitsspiegels so schlecht abgebildet, daß eine Identifikation der Granate als Kampfstoffkörper nur schwer und daher nicht sicher möglich ist. Die Bedeutung des Bildkontrastes und der Bildschärfe soll anhand der radiographischen Abbildung in Bild 7 verdeutlicht werden. Das Röntgenbild zeigt auch hier einen schräg verlaufenden Kontrastübergang im Inneren der Granate.
Abb 7: Durchstrahlungsbild einer deutschen 10,5 cm Übungsgranate (Füllung: vermutlich Sand) U= 295 keV; I= 5 mA; t= 20 min; FFA= 1 m; 0,1/0,1Pb- V./H. Folie; D7/C5a) schräg liegende Granate b) schräg liegende Granate wurde vorher geschüttelt. |
Im Gegensatz zu den Aufnahmen in Bild 6 erscheint dieser dem Betrachter nicht so scharfkantig, wie in den Aufnahmen in Bild 7. Zur Erhöhung der Aussagesicherheit wurde die Granate geschüttelt und ein zweites Mal schräg liegend durchstrahlt.
Der vermeintliche Flüssigkeitsspiegel ist in der Aufnahme 7b verschwunden. Anhand dieses Indizes konnte die Granate als eine mit Sand gefüllte Übungsgranate identifiziert werden.
Die Bilder 8 und 9 sollen verdeutlichen, daß bei der Abbildung eines großen Objektumfangs viele Teilstücke der Granate vom Feuerwerker erkannt werden können. Jedes erkennbare Teil im Granateninneren ist ein Indiz, das bei Sachkenntnis und waffentechnischem Verständnis dem Feuerwerker hilft, die Granate hinsichtlich ihrer Funktion und Wirkungsweise zu verstehen. Mit einer qualitativ hochwertigen radiographischen Aufnahme wird er befähigt, das vom Fundstück ausgehende Gefahrenpotential einzuschätzen und die zur Vernichtung erforderlichen Maßnahmen einzuleiten.
Abb 8: Durchstrahlungsbild einer britischen 12,7 cm Kampfstoffgranate (Füllung: flüssiger Kampfstoff !) U= 295 keV; I= 5 mA; t= 4,5 min; FFA= 1 m; 0,1/0,1Pb- V./H. Foliea)D7/C5; 0,1/0,1Pb- V./H. Folie b)ACR 2000 / Agfa MD10-3 System; Gain 50; 0,2/0,2Pb- V./H. Folie . |
Abb 9: Durchstrahlungsbild einer deutschen 7,6 cm Leichten Wurfmine U= 295 keV; I= 5 mA; t= 4,5 min; FFA= 1 m; 0,1/0,1Pb- V./H. Folie | a)D7/C5; 0,1/0,1Pb- V./H. Folie b)ACR 2000 / Agfa MD10-3 System; Gain 50; 0,2/0,2Pb- V./H. Folie . | ||
Die Autoren danken Frau M. Strauch und Herrn J. Robbel für die Unterstützung der experimentellen Arbeiten während der Untersuchungen an der Beräumungsstelle Krampnitzer Heide.
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