DGZfP '99 Jahrestagung Celle, Mai 10-12, 1999
Proceedings published by DGZfP

TABLE OF CONTENTS

Zusammenfassung Technischer Hintergrund Aufgabenstellung Prüfsystem zur Qualitätsüberwachung Sondenhalter für berührungslose Abtastung Ergebnisse der Wirbelstromprüfung Resultat Ausblick Literatur

Zusammenfassung

Inhomogenitäten in supraleitenden Hohlraumresonatoren eines Linearbeschleunigers führen beim Betrieb zu einem lokalen Zusammenbruch der Supraleitung (Quench) und begrenzen dadurch die maximale Leistung des Beschleunigers. Es wurde ein Prüfsystem zur Qualitätsüberwachung der Niob-Bleche entwickelt, aus denen die Resonatoren gefertigt werden. Die Bleche werden mit dem Wirbelstromverfahren berührungslos abgetastet, wobei ein in der BAM entwickelter Sondenhalter nach dem Luftkissenprinzip verwendet wird. Mit dem Prüfsystem lassen sich Poren und Verun-reinigungen mit einer Ausdehnung ab ca. 80 µm sowohl an der Oberfläche als auch verdeckt nachweisen.

Technischer Hintergrund

Abb. 1: Supraleitender Hohlraumresonator bestehend aus neun Cavitäten

Bei DESY, Hamburg laufen zur Zeit Voruntersuchungen zum Aufbau des 33 km langen Linearbeschleunigers TESLA (TeV-Energy Superconducting Linear Accelerator) aus supraleitenden Hohlraumresonatoren, bestehend aus jeweils neun sog. Cavitäten (Abbildung 1).

Die Cavitäten werden aus je zwei 260 × 260 mm² großen Niob-Blechen gefertigt. Ni-ob ist ein Metall, das bei Temperaturen unterhalb von 9,2 K supraleitend wird.

Sind in den verwendeten Niob-Blechen Inhomogenitäten vorhanden, können diese beim Betrieb zu einem lokalen Zusammenbruch der Supraleitung, einem sog. Quench, führen. Durch solch einen lokalen Quench wird die Leistungsfähigkeit des gesamten Beschleunigerbauteils gemindert. Unter ungünstigen Bedingungen kann ein Quench sogar zur Zerstörung des Bauteils führen.

Der angestrebte Beschleunigungsgradient von 25 MV/m konnte bisher nur in einzelnen Cavitäten erreicht werden. In der 12 m langen Versuchsanlage TTF (TESLA Test Facility) aus acht Resonatoren lag der erzielte Gradient bei nur 16,7 MV/m.

Aufgabenstellung

Es sollte ein Verfahren zum Nachweis von Verunreinigungen zur Qualitätsüberwachung der Niob-Bleche entwickelt werden, das folgende Anforderungen erfüllt:

• Hohe Nachweisempfindlichkeit kleinster Verunreinigungen an der Oberfläche und verdeckt bis zu eine Tiefe von ca. 500 µm.
• Kurze Prüfzeiten, da eine große Anzahl an Blechen (400.000 Stück) geprüft werden muß.
• Berührungslose Abtastung, um Schleifspuren auf der Oberfläche sowie Verunreinigung der hochreinen Niob-Bleche durch Sondenabrieb zu vermeiden.

Eine besondere Schwierigkeit besteht darin, daß die Verunreinigungen in den Niob-Blechen herstellungsbedingt durch eine Vielzahl unbekannter Fremdstoffe hervorgerufen werden können. Zu Beginn der Arbeiten lagen noch keine Erkenntnisse darüber vor, welche Arten von Verunreinigungen tatsächlich in den gelieferten Niob-Blechen vorkommen.

Prüfsystem zur Qualitätsüberwachung

Für die oben genannte Aufgabenstellung wurde das Wirbelstromverfahren ausgewählt, da es sich dabei um ein Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung handelt, das eine berührungslose Abtastung bei hohen Prüfgeschwindigkeiten erlaubt und eine ausgezeichnete Prüfempfindlichkeit im oberflächennahen Bereich aufweist.

In der BAM wurde ein Wirbelstrom-Prüfsystem entwickelt, bestehend aus einer mechanischen Abtasteinheit, einer optimierten Wirbelstromsonde, einem speziellen Sondenhalter sowie einer Meß- und Auswertungssoftware.

Die Niob-Bleche werden flächenhaft abgetastet und die Meßdaten als zweidimensionales Abbild dargestellt.

Anfangs wurde die Wirbelstromsonde mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s spurweise über das Blech bewegt. Der Meßpunktabstand betrug 100 µm bei einem Spurabstand von 200 µm. Bei zwei Prüffrequenzen und einer Auflösung von 16 Bit erhält man somit pro Blech knapp 20 MB an Meßdaten (4 Meßwerte á 16 Bit pro Meß-punkt).

Bei der spurweisen Abtastung traten jedoch Störsignale auf, die sich größtenteils auf mechanische Schwingungen zurückführen ließen. Weitere Störeffekte resultierten aus der Beschleunigung und Abbremsung der Sonde am Anfang und Ende jeder Spur sowie aus der Bewegung des Sondenkabels während der Datenaufnahme.

Abb. 2: Wirbelstrom-Prüfsystem zur rotierenden Abtastung von Niob-Blechen

Die Abtastung wurde daraufhin auf eine rotierende Bewegung ähnlich wie bei einem Plattenspieler umgestellt (Abbildung 2). Die Mechanik läuft jetzt weitgehend schwingungsfrei und die Wirbelstromsonde steht jetzt fest, so daß das Sondenkabel nicht mehr hin und her bewegt wird. Es treten keine mechanisch bedingten Störsignale mehr auf. Die Nachweisempfindlichkeit konnte durch den besseren Signal-Störabstand deutlich erhöht werden.

Die Bleche rotieren mit einer konstanten Geschwindigkeit von ca. 100 U/min. Es werden je 3600 Meßwerte pro Umdrehung aufgenommen. Daraus ergibt sich ein mittlerer Meßpunktabstand von 100 µm bei einer mittleren Abtastgeschwindigkeit von 1 m/s. Die maximale Abtastgeschwindigkeit am äußeren Rand beträgt rund 2 m/s. Der Spurabstand der konzentrischen Meßspuren beträgt auch hier 200 µm.

Die Speicherung der Meßdaten erfolgt bei der rotierenden Abtastung in Polarkoordinaten, d.h. mit Winkelposition über Spurradius. Die Umrechnung in kartesische Ko-ordinaten (X-Y) erfolgt erst bei der Auswertung der Meßdaten.

Zur Herstellung der Cavitäten werden aus den Blechen Ronden ausgestanzt. Die Tatsache, daß bei der rotierenden Abtastung die Eckbereiche ungeprüft bleiben, ist daher für diesen Anwendungsfall nicht von Bedeutung.

Sondenhalter für berührungslose Abtastung

Bei der Wirbelstromprüfung ist es wegen des störenden Abhebeeffektes wichtig, daß der Abstand zwischen Prüfteil und Sonde möglichst konstant bleibt. Die zu prüfenden Bleche weisen jedoch herstellungsbedingt eine gewisse Welligkeit auf.

Um Schleifspuren auf der Oberfläche sowie Verunreinigung der hochreinen Niob-Bleche durch Sondenabrieb zu vermeiden, war eine berührungslose Abtastung gefordert.

In der BAM wurde daher ein spezieller Sondenhalter entwickelt, der der Blechoberfläche in nahezu konstantem Abstand folgt. Bei diesem Halter schwebt die Wirbelstromsonde auf einem Luftkissen ca. 100 µm über dem Prüfteil (Abbildung 3).

Abb. 3: Sondenhalter nach dem Lufkissenprinzip für eine berührungslose Abtastung (Abstand ca. 100 µm)

In Ruheposition befindet sich die Wirbelstromsonde innerhalb des äußeren Zylinders. Sie wird nur während der Messung ausgefahren. Bei Ausfall der Druckluft oder wenn die Sonde über den Rand des zu prüfenden Bleches hinausfährt, wird der Sondenhalter in Sekundenbruchteilen automatisch eingefahren. Die Sonde ist so vor mechanischer Beschädigung geschützt.

Ein weiterer Vorteil der berührungslosen Abtastung ist die Verschleißfreiheit der Sonde. Bei einer berührenden Abtastung würde sich durch Abrieb der Lauffläche der Abstand zwischen dem Spulensystem und der Prüfoberfläche mit der Zeit verringern. Diese Abstandsänderung wirkt sich auf die Prüfempfindlichkeit aus, so daß die Ergebnisse zeitlich weit auseinanderliegender Prüfungen nur bedingt vergleichbar wären. Bei der hohen Anzahl zu prüfender Bleche von ca. 400.000 Stück müßte zudem die Lauffläche der Wirbelstromsonde von Zeit zu Zeit erneuert werden. Diese Pro-bleme werden durch die berührungslose Abtastung vermieden.

Ergebnisse der Wirbelstromprüfung

Abbildung 4 zeigt beispielhaft das Ergebnis einer rotierenden Abtastung eines Niob-Bleches mit natürlichen Inhomogenitäten.

Die verwendete Wirbelstromsonde wurde sowohl in Hinblick auf eine hohe Nachweisempfindlichkeit kleinster Verunreinigungen unter der Oberfläche als auch auf gute Abbildungseigenschaften optimiert.

Die Prüfung wurde mit zwei Prüffrequenzen von 170 kHz und 1 MHz durchgeführt.

Die Verwendung der zwei Prüffrequenzen ermöglicht eine Unterscheidung zwischen Oberflächenfehlern und verdeckten Inhomogenitäten, da sich verdeckte Inhomogenitäten nur auf den hochfrequenten Prüfkanal auswirken, während Oberflächenef-fekte von beiden Kanälen erfaßt werden. Durch eine Verknüpfung beider Prüfkanäle ist es möglich, die Oberflächeneffekte auszublenden, so daß nur noch verdeckte In-homogenitäten angezeigt werden.

Die Phasenlage des Wirbelstromgerätes wurde so eingestellt, daß die unerwünschten Effekte wie Abhebung und Kippung in Richtung der X-Komponente des Wirbelstromsignals zu liegen kommen. Die Y-Komponente des Signals ist somit weitge-hend frei von unerwünschten Störeffekten.

Abb. 4: Prüfergebnis einer rotierenden Abtastung

Abb. 5: Poren mit ca. 80 µm Durchmesser: a) Wirbelstrom b) Fotografie

Dargestellt ist in Abbildung 4 die Y-Komponente des niederfrequenten Wirbelstromsignals. Die Amplituden des Prüfsignals sind als Grauwerte kodiert, wobei die Schwärzung mit steigender Signalamplitude zunimmt.

Mit Hilfe des Prüfsystems konnten Poren und Verunreinigungen mit einer Ausdehnung ab ca. 80 µm sowohl an der Oberfläche als auch verdeckt nachgewiesen werden. Der markierte Bereich in Abbildung 4 zeigt eine Zeile solch kleiner Poren.

Bei den horizontalen Streifen handelt es sich um Gefügeänderungen, die durch den Walzprozeß bei der Blechherstellung entstanden sind. Die drei größeren, kreisförmigen Anzeigen sind Mulden in der Oberfläche des Bleches.

Die Abbildung 5a zeigt den markierten Ausschnitt mit der Porenzeile aus dem Prüfergebnis von Abbildung 4. Zum Vergleich ist in Abbildung 5b eine mikroskopische Fotografie dieser Schadstelle zu sehen.

An einigen Blechen mit einem Wirbelstrombefund wurden zusätzliche zerstörungsfreie Untersuchungen mit dem Röntgenfluoreszens- und dem Neutronenaktivierungsverfahren durchgeführt, um die Art der Verunreinigungen zu ermitteln. Dabei konnten einige der Verunreinigungen als Eisenpartikel, andere als Tantaleinschlüsse identifiziert werden.

Resultat

Durch die Verwendung geprüfter Bleche bei der Herstellung der Hohlraumresonatoren konnten in der Versuchsanlage TTF Beschleunigungsgradienten von über 30 MV/m erreicht werden. Dieses entspricht einer Verdopplung der Leistungsfähig-keit gegenüber Resonatoren aus ungeprüften Blechen.

Die Prüfzeiten konnten durch die Umstellung auf rotierende Abtastung auf ca. 10 Minuten pro Blech gegenüber ca. 30 Minuten bei spurweiser Abtastung reduziert wer-den.

Ausblick

Derzeit erfolgt die rotierende Abtastung in konzentrischen Bahnen. Es werden nur bei jeder zweiten Umdrehung Daten aufgenommen, da jeweils eine weitere Umdrehung für den Vorschub in radialer Richtung benötigt wird. Mit kontinuierlicher Abtastung in spiralförmiger Bahn läßt sich die Prüfzeit theoretisch auf nur fünf Minuten pro Blech halbieren.

Die Welligkeit der Bleche ist teilweise so groß, daß der Sondenhalter die Abstandsschwankungen nicht mehr ausgleichen kann. Abhilfe könnte ein Vakuum-Spanntisch schaffen, bei dem das zu prüfende Blech durch den Unterdruck plangezogen wird. Eine andere Möglichkeit wäre, den Sondenhalter nach dem Luftkissenprinzip durch einen Halter mit elektrodynamischer Abstandsregelung zu ersetzen. Bei der elektrodynamischen Abstandsregelung wird der hochfrequente Prüfkanal des Wirbelstromgerätes so eingestellt, daß er besonders empfindlich auf den normalerweise unerwünschten Abhebeeffekt reagiert. Der Abstand des elektrodynamischen Sondenhalters wird von einer Regelelektronik so nachgeführt, daß das Abhebesignal des Wirbelstromgerätes konstant bleibt.

Aufgrund der hohen Anzahl der zu prüfenden Bleche von 400.000 Stück wird es notwendig sein, die Auswertung der Prüfergebnisse zumindest soweit zu automatisieren, daß bereits während der Messung eine grobe Quantifizierung nach fehlerfreien, fehlerhaften und möglicherweise fehlerhaften Blechen erfolgt.

Da aus der Röntgenfluoreszenz- und der Neutronenaktivierungsanalyse inzwischen Erkenntnisse über die Art der Verunreinigungen vorliegen, gelingt möglicherweise auch eine Identifizierung der Fremdstoffe mit Hilfe des Wirbelstromverfahrens.

Literatur

1. P. Schmüser, D. Proch; Der Einsatz von Supraleitung bei der neuen Speicherringanlage HERA; Arbeitsgemeinschaft der Großforschungseinrichtungen (AGF), Bonn; Sonderdruck aus dem AGF-Jahresheft 1990; ISSN 0935-2236
2. H.-M. Thomas, R. Casperson; Optimierung von Wirbelstromsensoren für die Visualisierung von Materialschäden; DGZfP-Berichtsband Nr. 50, Querschnittseminar, Stutensee 1995; ISBN 3-931381-04-8
3. DESY ´98 - Das Jahrbuch des Forschungszentrums DESY, Deutsches Elektronen-Synchrotron; Hamburg 1997; ISSN 0946-3720
4. W. Singer, D. Proch, A. Brinkmann; Diagnostic of Defects in High Purity Niobium; Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY; Hamburg 1998