DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Miniatur-Röntgenröhre für die mobile Rohrprüfung

Bernhard Redmer, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin
Alexander Warrikhoff, rtw Röntgen-Technik Dr. Warrikhoff KG, Neuenhagen
Uwe Ewert, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin
Kontakt: B. Redmer, U. Ewert

Zusammenfassung

Der Prototyp einer Flachröntgenröhre mit einer maximalen Röntgenenergie von 240kV (600W) und einer Brennfleckgröße von 0,4 * 0,4 mm nach DIN EN 12543 wird vorgestellt. Das Design dieser Flachröntgenröhre mit geringer Aufbauhöhe ist in Metall-Keramik-Technik ausgeführt. Die Beschleunigungsstrecke Katode-Anode ist senkrecht zur Haubenachse ausgeführt. Die Röhre ist als bipolares System aufgebaut. Kleine Durchmesser der Hochspannungskabel verringern das Gewicht und resultierende Kraftmomente bei der manuellen Manipulation sowie beim Verfahren in einem mechanisierten System. Der Targetwinkel beträgt 6° und bewirkt eine höhere Brillianz der Röntgenstrahlung. Die Geometrie des Strahlenaustrittsfensters (Emissionsfenster) ist in Fächerstrahlgeometrie zur tomografischen Prüfung ausgelegt.

Keywords
Röntgentechnik, Flachröntgenröhre, Brennfleck, mobile Anwendungen, Rekonstruktion, Tomosynthese

Röntgenröhrentechnik in flacher Bauweise

Bei der Prüfung von Rundschweißnähten an Rohrsystemen im Anlagenbereich (z.B. chemische Industrie, Kraftwerke) ist häufig eine eingeschränkte Zugänglichkeit hinsichtlich des Freiraumes zwischen benachbarten Rohrsystemen anzutreffen. Diese geometrischen Einschränkungen verhindern oft den Einsatz von mobilen Prüfeinrichtungen mit den bisher vorhandenen mobilen Röntgenprüfanlagen. Eine neue, in der Bauform verkleinerte Gleichspannungsröntgenröhre, wurde speziell für Anwendungen mit begrenztem Freiraum zwischen den einzelnen Prüfobjekten entwickelt.

Die neue Röntgenröhre in flacher Bauweise kann bis zu einer Röntgenspannung von 240kV und 600W Leistung im Auto-Leistungsmode betrieben werden. Die Länge des Röhrenkopfes einschließlich der Steckerverbindungen beträgt ca. 275 mm, der elliptische Querschnitt hat die Abmaße 135 mm x 75 mm (Breite * Höhe, Bild 1). Im Vergleich zu den gegenwärtig vorhandenem Röntgenanlagen konnte eine Reduktion des Röhrenkopfvolumens um ca. 60% besonders durch das neue, flache Design erreicht werden. Gleichfalls konnte auch das Gewicht um die Hälfte reduziert werden. Die Grenzwerte der Haubendurchlassstrahlung nach Röntgenverordnung (RöV) werden eingehalten.
Bild 1: Flachröntgenröhre mit Montagehalter für mechanisierte Manipulation.

Anwendungsbereiche für dieses neue Röntgenröhrenkonzept sind neben mobilen, mechanisierten Prüfanlagen im vor Ort Einsatz, auch Schweißnahtprüfungen nach DIN EN 1435 als manuelle bzw. halbautomatisierte Prüfung und die Computer-Tomographie mit Fächerstrahlgeometrie (Bild 2).

Bild 2: Applikationsbeispiele für die Flachröntgenanlage: a.) Schweißnaht-Untersuchungen, b.) Computer-Tomographie (CT) [1], c.) mobile Planartomographie einer Schweißnaht mit Rissen zur Bestimmung der Tiefeninformation von Anzeigen.

Das an der BAM entwickelte Prüfverfahren zur mechanisierten Durchstrahlungsprüfung von Rundschweißnähten [2] erlaubt die Bestimmung der Tiefeninformation einer Anzeige (Lage, Ausdehnung und Form). Da der Prüfgegenstand "Rohrschweißnaht" nicht immer allseitig zugänglich ist, müssen laminographische Messanordnungen (Mehrwinkel-Technik) angewendet werden. Um zwischen den einzelnen Rohrleitungssystemen das Zeilenkamerasystem bzw. die Röntgenröhre anordnen zu können, sind eine kleine Baugröße und eine leichte Manipulation mit wenigen Freiheitsgraden notwendig.

Positionierung des Röhrenkopfes für mobile Prüfanlagen

Bei der mobilen, mechanisierten Durchstrahlungsprüfung von Rundschweißnähten mit einem Zeilenkamerasystem als radiometrischer Detektor [2] konnte die Röntgenröhre bisher nur in Senkrechtgeometrie, d.h. Röhre tangential zur Rohrachse, positioniert werden (Bild 3a). Dadurch wurde die Anwendungsbreite durch den erforderlichen großen Freiraum zwischen den Rohrleitungen bzw. bei Rohr-Bogen-Kombinationen beträchtlich eingeschränkt.

a.) Senkrechtgeometrie - Röhre senkrecht zur Rohrachse
b.) Parallelgeometrie - Röhre parallel zur Rohrachse
Bild 3: Anordnung von Röhre zum Rohr: Bei der Senkrechtgeometrie ist der erforderliche Freiraum zwischen den Rohrleitungen wesentlich größer. Dieser Nachteil wird bei der Parallelgeometrie aufgehoben.

In einem ersten Schritt wurde ein verfügbarer Röntgenröhrenkopf so angepasst, dass die bisherige tangentiale Positionierung der Röntgenröhre zur Rohrleitung durch eine Anordnung mit einem kleineren Winkel als 90° aufgebaut wurde. Gleichzeitig wurde von der üblichen Anordnung des Targets und der Kegelstrahlgeometrie abgewichen (Spezialanfertigung COMET AG, Bern-Liebefeld). Die Realisierung der notwendigen Parallelgeometrie, d.h. Röhre ist parallel zur Rohrachse angeordnet (Bild 3b), und eine kleine Baugröße erforderten jedoch ein neues Konzept in der Röntgentechnik.

Bauform des Röntgenröhrenkopfes

Der neu entwickelte Röntgenröhrenkopf ist als Zweipolröhre konzipiert. Kathode und Anode sind in zwei parallelen Röhrengehäusen eingebaut. Die Beschleunigungsstrecke befindet sich zwischen dem Kathoden- und Anodengehäuse, quer zu deren Achsen (Bild 4). Die Zylinderelektroden selbst bestehen aus einer speziellen Metall-Keramik-Technik, welche eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt.

Durch die parallele Anordnung der Röhrengehäuse können die Hochspannungsanschlüsse von Kathode und Anode auf einer Seite nebeneinanderliegend herausgeführt werden. Neben der Volumenverringerung vom Röntgenröhren-kopf konnte auch eine Reduzierung der Hochspannungskabel-Durchmesser erreicht werden. Die Hochspannungszuführung zur Anode besteht aus einem elektrisch-gedämpften Polyäthylen-Kabel (PE) für 120 kV, dessen Durchmesser ca. 12 mm beträgt. Das Hochspannungskabel zur Kathode enthält zusätzlich die Spannungsversorgung des Heizfadens (Filament) und hat einen Durchmesser von ca. 32 mm.
Bild 4: Prinzip der Flachröntgenröhre.

Der Vorteil von Hochspannungskabeln mit kleineren Durchmessern und geringerem Gewicht liegt hierbei in kleineren Kraftmomenten, die bei der Konstruktion der Halter und mechanischen Vorrichtungen für das Verfahren der Röntgenröhre um ein Rohr berücksichtigt werden müssen. Gleichzeitig wurde das Anodenkabel in die Hochspannungsbuchse eingeklebt, wodurch eine wartungsfreie Verbindung erreicht werden konnte (Bild 5).

Bild 5: Anordnung von Kathode und Anode beim Prototypen der neuen Flachröntgenanlage. Erkennbar ist das pink-farbene Hochspannungskabel der Anode.

Brennfleck und Brennfleckgröße

Die Detailerkennbarkeit eines radiometrischen Bildes wird durch die Unschärfe des Gesamtsystems, d.h. durch innere und geometrische Unschärfe, vorgegeben. Die innere Unschärfe ist im wesentlichen durch den Aufbau des Detektors (hier: Zeilenkamerasystem und verwendeter Leuchtschirm) bestimmt. Die geometrische Unschärfe wird u.a. durch die Brennfleckgröße und die Aufnahmegeometrie definiert.

Für die mechanisierte Durchstrahlungsprüfung sollte die Gesamtunschärfe des radiometrischen Messsystems unter 200ľm liegen. Dies bedingt jedoch einen kleinen optisch-wirksamen Brennfleck, die Berücksichtigung der machbaren physikalisch-technischen Möglichkeiten zur Anordnung und Größe des Targets sowie eine ausreichende Kühlung. Für den Prototyp der Flachröntgenröhre konnten die Parameter aus Tabelle 1 erreicht werden.

Bild 6 zeigt den Brennfleck des Prototyps der neuen Röntgenröhre. Beide Aufnahmen wurden entsprechend dem Standard DIN EN 12543 zur Bestimmung des Brennfleckes mittels Lochkamera (Bild 6a) und Scannermethode (Bild 6b) angefertigt. Es ist deutlich die typische Doppellinienstruktur zur erkennen. Die in Tabelle 1 genannte Brennfleckgröße entspricht einer nominalen Brennfleckgröße von f = 0,3 mm nach IEC 366.

Bei der laminographischen Rekonstruktion können Artefakte bedingt durch den eingeschränkten Einstrahlwinkelbereich (limited view) auftreten. Der Einfluss der Artefakte auf das Rekonstruktionsergebnis kann minimiert werden, wenn ein großer Einstrahlwinkelbereich für die Mehrwinkel-Technik gewählt wird. Dies kann durch eine veränderte Geometrie des Emissionsfenster erreicht werden.

Die übliche Kegelstrahlgeometrie von Industrieröntgenröhren hat einen Emissionswinkel von ± 20°. Im Falle eines Einstrahlwinkels größer 20° ist ein zusätzliches mechanisiertes Drehen des Röhrenkopfes zur Mitte des Detektors notwendig. Die Fächerstrahlgeometrie der neuen Flachröntgenröhre hat einen Emissionswinkel von 70° * 12°, sodass ein Einstrahlwinkelbereich von ± 35° realisiert werden kann und das Drehen des Röhrenkopfes in den Winkelrandbereichen entfällt.

a) b)
Bild 6: Brenfleckmessung nach DIN EN 12543: a.) mit Lochkamera und Film und b.) mit Scannermethode als Masterverfahren.

Mechanisierte Durchstrahlungsprüfung als mobile Anwendung

Bild 7 zeigt einen Ausschnitt des Manipulationssystem zur mechanisierten Durchstrahlungsprüfung von Rundschweißnähten [2] mit eingebauter Flachröntgenröhre und Dual-Zeilenkamera. Die flache Bauweise sowohl von Röntgenröhre und Zeilenkamera gewährleistet, dass der erforderliche Freiraum zwischen zwei Rohrleitungen auf 200 mm reduziert werden konnte. Eine Dual-Zeilenkamera enthält zwei CMOS-Zeilen, die einzeln (Single-Mode) als auch parallel (Dual-Mode) betrieben werden können (Spezialanfertigung NTB elektronische Geräte GmbH, Diepholz). Im Dual-Mode wird pro Zeile jeweils ein Bild zeilenweise ausgelesen. Nach der Akkumulation beider Bilder wird das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) um ‚Wurzel 2' verbessert oder die Messgeschwindigkeit verdoppelt.

In Tabelle 1 sind relevante technische Parameter zusammengefasst. In Perspektive ist eine Weiterentwicklung der neuen Röntgenröhrentechnik bis zu 320 kV bzw. 1000 W bei unveränderter kleiner Baugröße wie beim Prototypen vorgesehen.

Bild 7: Anwendung der Flachröntgenröhre und Dual-Zeilenkamera bei der mechanisierten Durchstrahlungsprüfung von Rundschweißnähten

Target Wolfram
Brennfleckgröße, optisch 0,5 * 0,6 mm
DIN EN 12543  
Anodenwinkel
Emissionswinkel 70° * 12°
Eigenfilterung 1,5mm V2A
Gleichspannung, konstant 240 kV
Anodenbelastung 600 W
Baugröße 270 * 135 * 72 mm
Masse 7 kg
Kühlung - Öl, Durchfluß ł 3 l/min, @ 3 bar
Tabelle 1: Zusammenfassung der technischen Parameter

Literatur

  1. Firmenprospekt der Bio-Imaging Research Ltd., Lincolnshire (USA), Ausgabe 1997
  2. B. Redmer, Y. Onel, U. Ewert: "Mechanisierte Durchstrahlungsprüfung - Innovative Technik zur mobilen Durchstrahlungsprüfung von Rundschweißnähten", DGZfP-Jahrestagung 2001, Berlin, 21.-23. Mai 2001, Berichtsband 75-CD

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net