DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Einsatzmöglichkeiten mobiler Röntgenblitzröhren

Kurt Osterloh, Uwe Zscherpel, Uwe Ewert, BAM, Berlin
Peter Weiss, ELP GmbH, Wuppertal
Kontakt: Osterloh Kurt Dr.rer.nat.

Zusammenfassung

Röntgenblitzröhren stehen sowohl als stationäre wie auch als tragbare, batteriebetriebene Röntgenstrahler zur Verfügung [1]. Es wurden vorrangig kleine mobile Geräte getestet und beschrieben. Sie senden Serien von Röntgenblitzen mit fest eingestellter maximaler Anodenspannung (150 kV, neuerdings auch 300 kV) und einer Impulsdauer von ca. 50 ns pro Blitz aus. Die Festlegung der Dosis erfolgt über die Anzahl der Impulse. Im Vergleich zu kontinuierlich strahlenden Röntgenröhren ist das Energiespektrum zu geringeren Energien verschoben. Die deutlich geringere Dosisleistung macht hingegen einen Einsatz zusammen mit empfindlicher digitaler Radiographie (Speicherfolien, Flachdetektoren) anstelle von Röntgenfilm mit Bleifolien sinnvoll. Verbreitet werden Röntgenblitzröhren im Sicherheitsbereich eingesetzt. Es sind aber auch andere Einsatzmöglichkeiten gegeben, z.B. bei der Wanddickenmessung oder bei der Korrosionsprüfung. Mit Einzelblitzen lassen sich schnelle Bewegungen eingefroren darstellen, z.B. sich drehende Rotorblätter (Ventilatoren, Turbinen) oder fliegende Geschosse in der Ballistik. Mit leistungsfähigeren Geräten wird auch ein Einsatz an laufenden Maschinen vorstellbar.

Prinzip der Blitzröhren

Von einer Spannungsquelle (Batterie) wird der Ladekondensator geladen. Danach wird er kontrolliert über einen Transformator entladen. Der Entladungspuls wird dort hochtransformiert, bis die Entladungsröhre durchschaltet. Dieser Hochspannungsimpuls wird auf die Blitzröhre übertragen. In der Blitzröhre ist zentral die Anode angeordnet, die aus einem nach vorne spitz zulaufendem Wolframstab besteht. An der Spitze ist sie von der ringförmigen Kathode umgeben. Der Hochspannungsimpuls führt zum Elektronenfluss zur Anode, ohne dass die Kathode geheizt werden muss. Die Bremsstrahlung tritt nach vorne in Richtung der Anodenstabspitze aus.


Abb 1: Funktionsprinzip der Röntgenblitzröhre.

Der Ladekondensator wird mit einer Spannungsquelle geladen und kontrolliert über einen Transformator wieder entladen. Die Röntgenröhre wird mit den hochtransformierten Entladungsimpulsen betrieben.

Geräte

In Abb. 2 sind zwei typische mobile Modelle von Röntgenblitzgeräten zu sehen, zum einen der "klassische" Typ "Inspector" (Fa. Golden Engineering, Centerville, IN, USA), wie er weltweit von Sicherheitskräften bei der Entschärfung von Sprengsätzen verwendet wird und zum anderen das neu eingeführte Gerät "XRS-3", das mit 300 kV arbeitet. Der 1974 eingeführte "Inspector" mit einer Anodenspannung von 150 kV ist 1998 von einem Nachfolgemodell (s. Abb.2) abgelöst worden. Die in Abb. 2 wiedergegebene Brennfleckaufnahme stammt von einem "XRS-3"-Modell und wurde mit einer 100 µ Loch--Kamera aufgenommen. Der Brennfleckdurchmesser wurde gemessen und betrug 2,5 mm .

Abb 2: Röntgenblitzröhren, Abstrahlung, Brennfleck:
a) Der 1974 eingeführte Typ "Inspector" (150 kV) wird seit 1998 nicht mehr gebaut und ist durch einen Nachfolgetyp ersetzt.
b) Neu hinzugekommen sind neue Röhren mit höherer Anodenspannung (Typ XRS-3, 300 kV) mit Kennzeichnung von Dosisleistung und Leckage pro Einzelimpuls.
c) Brennfleck von b), Æ 2,5 mm, mit Lochkamera aufgenommen.

Strahlenquelle (Messergebnisse bezogen auf 1 m Entfernung) gemessene Dosis
[mSv / 99 Imp. bzw. mSv / 0,1 min (berechnet)]
s.(1)-(3)
Geräte (Beispiele) kV Imp mA Strahlungsmessgeräte
Radcal 2026C Det. 20X6-180 Stabdosi-meter PTW-DL4 Det. M23331
GE XR 200150 99     0,31   0,32     (1)
GE XR 200,Be-Fenster 150 99     1,0   0,5     (2)
Seifert Isovolt 320/13 150   1   1,6   1,7     (3)
GE XRS-3 300 99     0,37   0,41   0,40 (1)
Seifert Isovolt 320/13 300   1   5,1   5,3     (3)
Seifert Isovolt 420/10 300   1           8,2 (3)
(1) mSv / 99 Impulse mit jeweils 60 ms Abstand
(2) Weichanteile der Strahlung mit Stabdosimeter nicht erfasst
(3) mSv / 0,1 min, entspricht etwa der Dauer Belichtungsserie 99 Impulsen
Tabelle 1: Vergleich der Dosisleistungen verschiedener Röntgenröhren.

Die Leistung der mobilen Röntgenblitzröhren ist deutlich geringer als z.B. diejenige von mit Gleichstrom betriebenen Röntgenanlagen (s. Tabelle 1 mit Vergleichswerten, alle Anzeigen in mSv umgerechnet, 1 mSv = 100 mrem). Für die Belichtung eines gängigen Röntgenfilmes mit Bleifolien in einer vertretbaren Zeit reicht sie nicht aus. Dieser Nachteil kann mit empfindlicheren Detektoren (Speicherfolie, Flachdetektoren auf TFT-Basis) kompensiert werden.

Absorptionskoeffizienten
300 kV 10 mm Al [1/cm] 5 mm Cu [1/cm]
stationäre Röhre (Seifert Isovolt 420/10) 0,57 ± 0,01 3,40 ± 0,03
Blitzröhre (GE XRS - 3) 0,59 ± 0,01 3,66 ± 0,09
Tabelle 2: Änderung des Absorptionskoeffizienten als Ausdruck der Änderung im Röntgenspektrum.

Das Energiespektrum von Blitzröhren ist gegenüber kontinuierlich betriebenen Röntgenröhren (Gleichspannungsanlage) zu niedrigeren Werten verschoben, d.h., der Weichanteil ist höher. Folglich fällt die Aufhärtung der Strahlung nach Durchdringung größerer Schichten höher aus. Dies drückt sich sowohl in unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten für ein und dasselbe Material (Tabelle 2) als auch in voneinander abweichenden Absorptionsprofilen (Abb. 3) aus.


Abb 3: Unterschied im Strahlenspektrum zwischen Blitzröhre (GE XRS-3) und Gleichspannungsanlage (Seifert Isovolt 420/10), normierte Absorptionsprofile.

Anwendungen

Mobile Röntgenblitzröhren wurden zuerst in der Veterinärmedizin zum Röntgen von Gliedmaßen an Großtieren, z.B. Pferden, vor Ort eingesetzt. Verbreitet sind sie auch im sicherheitstechnischen Bereich (s. Abb. 4). Generell werden Geräte mit einer Anodenspannung von 150 kV verwendet. Es gibt Modelle mit einer Spannung bis zu 1000 kV. Zur Zeit halten auch Generatoren mit 300 kV im Sicherheitsbereich Einzug. Der bisher verwendete Polaroid TPX Film ist nicht mehr verfügbar und wird durch andere Detektoren abgelöst. (Polaroid-Papierfilm 803, Speicherfolien, Flachdetektoren, Fluoroskope).

Abb 4: Einsatz mobiler Röntgenröhren in der Veterinärmedizin (a, siehe [2]) und im Sicherheitsbereich (b, c).
b) 150 kV - Blitzröhre (Nachfolgemodell des "Inspectors" in Abb. 1a), Detektor: Kassette mit Polaroid-Röntgenfilm.
c) Gegenstand der Untersuchung: z.B. Zünder im Sprengstoff.

Etablierte Anwendungsbereiche: Veterinärmedizin und Sicherheit

Im veterinärmedizinischen Bereich entstand die Nachfrage nach mobilem Röntgen durch Verletzungen von Großtieren, z.B. Pferden. Nach Brüchen im Bein- oder Hufbereich waren unter Umständen die Tiere weder geh- noch transportfähig. Um dem Tierarzt zu einem Röntgenbild zu verhelfen, wurden die Blitzröhren aufgrund ihrer Handlichkeit verwendet. Zu einem weiteren wesentlichen Einsatzgebiet wurde jedoch der Sicherheitsbereich. Auch hier bestand und besteht die Notwendigkeit, mit der Röntgenausrüstung vor Ort zu gehen. Aufgefundene Sprengsätze können nicht zur Untersuchung in ein Labor verbracht werden, sie sind an Ort und Stelle zu entschärfen. Die Durchstrahlungsprüfung ist ein essentieller Vorbereitungsschritt für diese Maßnahme. Um auch das Ergebnis zügig auf der Stelle zu erhalten, wurden Polaroid-Röntgenfilme in Kassetten mit Verstärkerfolien verwendet. Obwohl die erhaltenen Bilder nicht nur hilfreich waren, sondern auch von entscheidender Bedeutung sein konnten, erreichte die Bildqualität bei weitem nicht das in der zerstörungsfreien Prüfung gewohnte Niveau. Zudem wird der transparente Polaroid-"TPX"-Film nicht mehr produziert; es steht nur noch der Papierfilm vom Typ "803" zur Verfügung. Nach und nach hält darauf hin die Speicherfolie im Sicherheitsbereich Einzug.

Korrosionsprüfung
Auf Erosionsschäden und Korrosion wird in dickeren Rohren häufig mit Ir-192 geprüft. In Abb. 5 wird dargestellt, dass eine derartige Prüfung auch mit einer höherenergetischen Röntgenblitzröhre (300 kV) in Verbindung mit einem empfindlichen Detektor möglich ist. Die digitale Radiographie ist in einer derartigen Anwendung aufgrund ihrer höheren Dynamik gegenüber dem Röntgenfilm sogar im Vorteil. Bei der Erkennung von Schäden ist die digitale Bildbearbeitung sehr hilfreich.

Abb 5: Korrosionsprüfung: Aufnahme eines Halbrohres (a) mit Ir-192 (b,c) und mit einer Röntgenblitzröhre (d - f): Rohr (a): 5,9 mm Wanddicke, DN 100.
a) Innenseite des Halbrohres (zum Detektor gewandt),
b) Aufnahme mit Ir-192 und Speicherfolie, unbearbeitet,
c) Bild (b) nach Bildbearbeitung (Hochpassfilterung),
d) Röntgenaufnahme mit Blitzröhre und am-Se Flachdetektor, unbearbeitet,
e) Aufnahme (d) nach Hochpassfilterung,
f) Bild (d) nach Kantenanhebung.

Wanddickenmessung
Die Bestimmung von Rohrwanddicken ist eine weitere wesentliche Aufgabe in der zerstörungsfreien Prüfung, die vor Ort durchgeführt wird [3]. Vor allem an unzugänglichen Orten ist Ir-192 eine leicht zu handhabende Strahlenquelle. Diese Inspektion ist, zusammen mit einem empfindlichen Detektor (Speicherfolie, Flachdetektor) auch mit einer handlichen 300 kV-Röntgenblitzröhre möglich (ca. 7,5 kg schwer). Eine Auswertung mit einem speziellen Software-Programm ist bis 4 mm Wanddicke (Stahl, 300 kV, 2mm Cu-Vorfilterung) möglich (s. Abb. 6). Aufgrund des engen Austrittswinkels der Röntgenstrahlung zeigt die Aufnahme ein starkes Shading. Mit geeigneter Software, läßt sich dieser Nachteil rechnerisch ausgleichen (Teilbilder b und c in Abb. 6). Die in Abb. 6b gezeigte Filterung zeigt, dass dieses Shading keinen Einfluss auf die Abbildung des Wanddickenverlaufes hat.

Abb 6: Wanddickenmessung mit Röntgenblitzröhren (s. [3]): Quantitative Auswertung: Rohr, DN 100, St 35, Wanddicke in tangentialer Projektionstechnik gemessen (3,6 mm).
a) Programmfenster,
b) Bildbearbeitung,
c) nur Shadingkorrektur.

Objekte in Bewegung
Mit den sehr kurzen Belichtungszeiten, die mit Einzelblitzen (50 ns) möglich sind, lassen sich schnelle Bewegungen "einfrieren". Der in Abb. 7 abgebildete Lüfter wurde in voller Bewegung mit einem einzelnen Röntgenblitz durchstrahlt. Die Ventilatorflügel wurden scharf abgebildet. Ebenso sind zwei auf die Flügel aufgeklebte feine Drähte gut sichtbar, die einen Materialfehler symbolisieren sollen (roter Pfeil). Mit größeren, leistungsfähigeren Blitzröhren ließen sich so laufende Maschinen inspizieren, z.B. Turbinen oder Motoren. Die Kürze der Blitzdauer ist auch für ballistische Momentaufnahmen ausreichend (Abb. 8).

Abb 7: Radiographie schnell bewegter Objekte:
Einzelblitzaufnahme (GE XRS-3, 300 kV, FFA = 25 cm) eines Ventilators im Betrieb (Agfa-Flachdetektor DirectRay am-Se).
a) Aufbau, b) Röntgenbild, c) Röntgenbild nach Bearbeitung. roter Pfeil: ein aufgeklebter Draht ist als Fehlersimulation: im Röntgenbild (b) kaum erkennbar, nach Bildbearbeitung (c) deutlich sichtbar.


Abb 8: Radiographie eines Geschosses im Flug ([1], [4]).

Mit Blitzserien lassen sich Bewegungsabläufe untersuchen. In einem einfachen Beispiel wurden Bleikügelchen abgebildet, die in einer drehenden Scheibe eingesetzt waren (Abb. 9). Die Positionen der Kügelchen verschoben sich mit jedem Einzelblitz. Diese Anordnung wurde benutzt, um mit einer gemessenen Umdrehungszahl die Impulsabstände zu bestimmen (60 ms bei einer 300 kV - Blitzröhre "XRS - 3" mit frisch geladenem Akku). Umgekehrt können Rotationsgeschwindigkeiten drehender Teile ermittelt werden. Ein denkbarer Einsatz wäre auch das Festhalten von Hammerschlägen auf Materialproben und deren Zerbrechen, womit aber der Bereich "zerstörungsfreie Prüfung" verlassen wird.

Abb 9: Serienblitz-Aufnahmen für Bewegungsabläufe:
a) In einer drehenden Scheibe sitzen an jeweils zwei gegenüberliegenden Stellen jeweils zwei Bleikugeln in verschiedener Anordnung.
b) Nach einer Serie von 10 Blitzen werden diese an aufeinander folgenden Stellen abgebildet. FFA = 50 cm, Fuji-Speicherfolie ST-VN, ausgelesen mit Agfa (Lumisys) ACR 2000. Abstand der Bleikugeln vom Mittelpunkt: 5,4 cm, Rotation der Scheibe: 450 rpm.

Schlussfolgerung

Mobile Röntgenblitzröhren lassen sich in Verbindung mit empfindlichen Detektoren vielfach auch im ZfP-Bereich einsetzen. Der übliche Industrieröntgenfilm mit Bleifolien ist zu unempfindlich. Als Alternativen hierzu bieten sich Speicherfolien und Flachdetektoren (auf TFT-Basis) an.

Aufgrund ihrer Handlichkeit sind die mobilen Blitzröhren im Sicherheitsbereich und bei der mobilen Veterinärmedizin sehr verbreitet. Auf industriellem Gebiet eröffnen sich in Kombination mit empfindlichen digitalen Detektoren Anwendungen bei der Materialprüfung vor Ort und an schwer zugänglichen Stellen.

Mit leistungsfähigeren Blitzröhren sind Prüfungen an laufenden Maschinen, Motoren oder Turbinen möglich.

Quellen, Literatur

  1. C.N. Boyer, G.E. Holland, J.F. Seely (1998):Portable hard X-ray scource for nondestructive testing and medical imaging,Rev. Scient. Instr. 69(6), 2524 - 2530
  2. University of Prince Edward Island,Charlottetown, Prince Edward Island, Canada (2003):http://www.upei.ca/~vca341/equinelimbs/phalanges.html
  3. U. Zscherpel, O. Alekseychuk, C. Bellon, U. Ewert, P. Rost, M. Schmid (2002):Korrosionsmapping an Rohrleitungen DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002, ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung,Weimar, 6.- 8. Mai 2002, Berichtsband 80-CD, v19
  4. dpiX, LLC, 3406 Hillview Avenue, Palo Alto, California 94304-1345,http://www.dpix.com/products.html

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