DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

Start > Beiträge > Vorträge > Digitale Industrielle Radiologie I: Print

Flächendetektoren - Die Detektoren der Zukunft ? - Ein Erfahrungsbericht -

Dr. Matthias Purschke, Agfa NDT Pantak Seifert GmbH & Co. KG, Ahrensburg
Kontakt: Purschke Matthias Dr.-Ing.

Zusammenfassung:

Die erzielbare Bildgüte und somit auch in hohen Maße die Qualität der Durchstrahlungsprüfung ist abhängig von den zur Verfügung stehenden Detektoren. Für die Radioskopie (Durchleuchtungsprüfung) stellte die Röntgenbild-Fernsehkamera-Kombination über viele Jahre hinweg den Stand der Technik dar. Seit einigen Jahren steht nun eine neue Generation von bildgebenden Systemen zur Verfügung: die Halbleiter- bzw. aSi-Detektoren, auch Flächendetektoren genannt. Flächendetektoren sind nun bereits seit einigen Jahren in der praktischen Anwendung, so dass unterschiedlichste Erfahrungswerte über z.B.: Leistungsfähigkeit und Lebensdauer vorliegen. Dieser Beitrag stellt die bisherigen Erfahrungen vor und diskutiert die möglichen Zukunftsaussichten dieser Detektortechnologie.

Keywords:
Radioskopie, Lebensdauer und Leistungsfähigkeit von aSi-Flächendetektoren, Bildverstärker, Gussteilprüfung, Schweißnahtprüfung, Turbinenschaufelprüfung,

1. Einleitung

Die von den Herstellern spezifizierten Eigenschaften der aSi-Flächendetektoren (Tabelle 1) zeigen, dass sowohl für die radioskopische Gussteil-, als auch für die radioskopische Schweißnahtprüfung verschiedene Vorteile gegeben sind. Anwendungserfahrungen im Bereich der Gussteilprüfung zeigen, dass insbesondere auf Grund des Dynamikbereichs von 12 bis 16 bit, Vorteile gegenüber dem Röntgenbildverstärker gegeben sind [1]. Für die praktische Anwendung ergeben sich aus der vergleichsweise langen Auslesezeit der Detektoren allerdings gravierende Konsequenzen für die visuelle radioskopische Prüfung. Für vollautomatische Prüfsysteme spielt dies jedoch nur eine untergeordnete Rolle.

Spezifikation Bildverstärker &
CCD Kamera (8 bit)
RID 512 AL 1 RID 512 AG 4 Pax Scan 2520 HR1 Pax Scan 2520 RT2
Szintillator CsJ Lanex (CsJ) 3) Lanex (CsJ) 3) Lanex (CsJ) 3) Lanex (CsJ) 3)
Elingangsfeld(aktiv) Durchmesser:
9"(215 mm)
205 ´ 205 mm2 205 ´ 205 mm2 244 ´ 195 mm2 244 ´ 195 mm2
Pixel Matrix - 512 ´ 512 512 ´ 512 1920 ´ 1536 1920 ´ 1536
Pixel Pitch - 400 mm 400 mm 127 mm 254 mm
Ortsauflösung 1.8 - 2.0 Lp/mm 1,2 Lp/mm 1,2 Lp/mm 3,9 Lp/mm 1,9 Lp/mm
Dynamikumfang 1000 >14000 >14000 2000 2000
A/D Wandlung 8 bit 16 bit 16 bit 12 12
Frame Rate 25 / 30 fps 7 fps 7 fps 5 fps 25 / 30 fps
Gewicht 36 kg 8 kg 8 kg 8 kg 8 kg
Tabelle 1: Spezifikationen unterschiedlicher Detektoren.

1)High-Resolution Mode, 2)Real-Time Mode, 3)Optional

Für die radioskopische Schweißnahtprüfung stehen Detektoren mit einem sehr guten Auflösungsvermögen zur Verfügung. In Übereinstimmung mit der EN 13068 "Radioskopische Prüfung" ergeben sich daraus verschiedene Vorteile für die praktische Anwendung [1]. Dennoch stellt der Röntgenbildverstärker -nach wie vor- eine kostengünstige Lösung für verschiedenste Anwendungen dar. Auf Grund der im Vergleich zu speziellen Flächendetektoren jedoch geringeren Ortsauflösung und des geringeren Dynamikumfangs müssen jedoch Kompromisse eingegangen werden.

2. Prüfung von Gussteilen

Monitore sind nicht in der Lage mehr als 256 Grauwerte wiederzugeben. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit durch das Setzen von Lookup-Tables den großen Dynamikbereich des RID-Detektors auf jeweils 256 Grauwerte für die Darstellung einzuschränken. Somit können nur bestimmte Wanddickenbereiche mit einer speziellen Lookup-Table-Einstellung dargestellt und bewertet werden. Die Prüfung eines Teils mit größeren Wanddickenunterschieden erfordert somit ein kontinuierliches "durchfahren" der jeweiligen Wanddicken mit unterschiedlichen Lookup-Table-Einstellungen (Bild 1 [2]).


Bild 1: Darstellung von digitalen Grauwerten als 8 Bit-Bild auf dem Monitor.

In Verbindung mit der geringen Ausleserate des Flächendetektors ergibt sich daraus eine völlig veränderte Prüfsituation im Vergleich zum echtzeitfähigen Röntgenbildverstärker. Dies ist auch der Grund warum sich derartige Detektoren nicht für die visuelle Serienprüfung von z.B. Al-Gussteilen bisher nicht durchgesetzt haben. Für die vollautomatische Prüfung sind diese Einschränkungen jedoch bedeutungslos, zumindest sofern sie keine nachteiligen Wirkungen auf die benötigte Prüfzeit haben.

Derzeit sind 2 unterschiedliche Typen des RID-Detektors mit den Bezeichnungen AL 1 und AG 4 im industriellen Einsatz. In den grundlegenden Eigenschaften (Dynamik, Ortsauflösung, Auslesezeit) unterscheiden sich beide Detektoren nicht. Beide Detektortypen zeigen jedoch unterschiedliche Empfindlichkeiten. So benötigt z.B. der AG 4-Typ eine höhere Dosisleistung, um absolute Kontraste vergleichbar zum AL 1-Typ zu liefern. Dies kann, abhängig vom zu prüfenden Werkstück, zu längeren Prüfzeiten bei vollautomatischen Prüfsystemen führen. Andererseits zeigt der AG 4 folglich eine geringere Neigung zur Übersteuerung bzw. Sättigung, die ggf. eine Vorfilterung erforderlich machen würde.

Auf Grund des großen Dynamikumfangs, der für die Gussteilprüfung deutliche Vorteile bietet, haben sich derartige Detektoren in den letzten Jahren oftmals -aber nicht ausschließlich- in vollautomatischen Röntgenprüfsystemen durchgesetzt. Die mittlerweile vorliegenden Erfahrungen beim Einsatz der Detektoren in der Serienprüfung zeigen allerdings auch einen gravierenden Schwachpunkt: die Lebensdauer der Detektoren !

Während Röntgenbildverstärker, abhängig vom Werkstück, bei sorgsamen Betrieb und unter Ausnutzung der technischen Möglichkeiten eine Lebensdauer von 1 bis 2 Jahren aufweisen, liegt die der RID-Detektoren deutlich darunter. Insbesondere im Dauerbetrieb (15 oder mehr Schichten pro Woche) liegt die Lebensdauer der Detektoren nur im Bereich von Monaten. Die zu erwartende Lebensdauer der Detektoren ist abhängig von verschiedenen Anwendungen, Energien und den Einsatzbedingungen. Es fällt auf, dass bei industriellen Dauerbetrieb, auch mit vergleichsweise niedrigen Energien, die Standzeit der Detektoren nur im Bereich von 8 - 10 Monaten liegt. Die Gründe für die geringen Standzeiten der Detektoren sind offensichtlich vielschichtig. Neben der Energie und Überstrahlungen, hat die Betriebspause einen Einfluss auf die Haltbarkeit der Detektoren. Auftretende Überstrahlungen im Bild bei hoher Energie reduzieren die Haltbarkeit der Detektoren unabhängig von den Betriebspausen noch weiter (6 - 7 Monate). Andererseits ist bei laborähnlichen Anwendungen (z.B. CT) trotz der hohen Energien die Lebenserwartung der Detektoren sehr hoch, wenn Überstrahlungen vermieden werden und kein 24 Stunden-Betrieb erfolgt.

3. Prüfung von Schweißnähten

Der Paxscan 2520 der Firma Varian bietet sich im hochauflösenden Modus betrieben, für Prüfaufgaben an, die eine hohe Ortsauflösung fordern. Für die Prüfung von Schweißnähten sind mittlerweile einige Erfahrungen vorhanden.

Die Bilder 2 zeigen am Beispiel einer 11mm Fe-Naht, dass die Anforderungen der EN 13068 (W14 und 9D) ohne weiteres zu erfüllen sind. Auch für größere Wanddicken lässt sich nachweisen, dass die normativen Anforderungen zu erreichen sind. Bild 3 zeigt eine Schweißnaht mit 43mm Wanddicke. Die EN 13068 fordert W10 und wiederum 9D. Bei großen Wanddicken kann es Probleme mit der Darstellung des Pt-Doppeldrahtstegs geben. Dies liegt an der extremen Aufhärtung der Strahlung, so dass die dünneren Doppeldrähte bereits durchstrahlt werden und somit nur noch schwach kontrastieren. Ein Nachweis, dass ein bestimmtes Doppeldrahtstegpaar noch aufgelöst und damit eine bestimmte innere Unschärfe bestimmt wird, kann daher schwierig sein.


Bild 2a: Schweißnaht 11mm mit W 14-15.

Bild 2b: Schweißnaht 11mm 9D.


Bild 3: Schweißnaht 43mm mit W10 und 9D.

Die geforderte Bildgüte kann auch oftmals mit einem Röntgenbildverstärker erreicht werden. Dies gilt insbesondere bei geringeren Wanddicken. Allerdings sind die geforderten Auflösungen nur durch eine entsprechend hohe geometrische Vergrößerung sowie durch Verwendung der elektronischen Vergrößerung, des sog. Bildverstärker-Zooms, zu erreichen. Dies führt dazu, dass nur noch ein kleines Volumen des Teils und somit eine geringe Schweißnahtlänge in einer Einstellung zu prüfen ist. Der Einsatz eines hochauflösenden Detektors führt hingegen dazu, dass mit deutlich kleinerer geometrischer Vergrößerung geprüft werden kann. Daraus resultiert eine deutlich größere prüfbare Schweißnahtlänge und ggf. ein wirtschaftlicher Vorteil, der auch den wesentlich höheren Anschaffungspreis u.U. rechtfertigt. Die im Vergleich zum Bildverstärker geringen Abmessungen ermöglichen in der Produktionsprüfung auch andere Geometrien (z.B. Detektor im Rohr).

4. Prüfung von Turbinenschaufeln

Die Anforderungen bei der Prüfung von Turbinenschaufeln unterscheiden sich nur wenig von den Anforderungen der Schweißnahtprüfung. Auch hier gilt es, dass kleine und kleinste Details nachgewiesen werden müssen.

Der Paxscan-Detektor ermöglicht im hochauflösenden Mode sowohl die Darstellung der Turbinenschaufel im Überblick, als auch im Detail (Bild 4). Auf Grund der Pixelgröße von 127mm kann durch die Anwendung des digitalen Zoom eine sehr gute Detailerkennbarkeit erreicht werden. Die erforderliche Detailerkennbarkeit lässt sich allerdings auch mit einem Röntgenbildverstärker erzielen (s. Bild 5). Dies erfordert jedoch wieder eine optimale Einstellung der geometrischen Vergrößerung und die Verwendung einer Röntgenröhre mit geeigneter Brennfleckgröße. Dies lässt sich auch an entsprechenden Bildgüteprüfkörpern nachweisen. Bild 6 zeigt die Ergebnisse eines Ni-Bildgüteprüfkörpers nach ASTM. Sowohl mit dem Paxscan-Detektor, als auch mit dem Bildverstärker lässt sich noch die 1T-Bohrung nachweisen.


Bild 4: Turbinenschaufel mit Paxscan 2520 im Überblick und Detail.


Bild 5a: Paxscan-Detektor mit Vgeo ca. 1,5.
Bild 5b: Bildverstärker mit Vgeo ca. 4.


Bild 6a: Paxscan-Detektor.

Bild 6b: Bildverstärker.

Erfahrungen über die zu erwartende Lebensdauer des Paxscan-Detektors liegen zur Zeit noch nicht vor. Geht man jedoch davon aus, dass es sich um ein grundsätzliches Problem des amorphen Siliziums handelt, dann sollten die unterschiedlichen Detektoren bei vergleichbaren Einsatzbedingungen auch ähnliche Lebenserwartungen aufweisen.

5. Zusammenfassung

Die betrachteten Flächendetektoren RID und Paxscan haben jeweils für sich genommen viele positive Eigenschaften. Dabei ist der hohe Dynamikumfang des RID-Detektors mit 16 Bit genauso hervorzuheben wie die Pixelgröße von 127 mm des Paxscan Detektors, die eine sehr gute Ortsauflösung gewährleistet.

Beide Detektoren empfehlen sich damit für unterschiedliche Anwendungen: Der RID-Detektor für die Prüfung von Gussteilen (insbesondere Al-Gußteile), die auf Grund der im Teil üblicherweise vorliegenden Wanddickenunterschiede einen hohen Dynamikumfang erfordern. Der Paxscan-Detektor für die Schweißnahtprüfung und alle Anwendungen, die eine hohe Ortsauflösung benötigen.

Die zukünftigen Aufgabenstellungen für die Hersteller der Detektoren lassen sich klar definieren:

  1. Kurzfristig muss eine Verbesserung der Lebensdauer der Detektoren erreicht werden. Anderenfalls ist eine Verwendung der Detektoren auf wenige Prüfaufgaben beschränkt und ein Einsatz im industriellen Umfeld (Serienprüfung von Al-Gussteilen) unmöglich.
  2. Insbesondere für Anwendungen die eine hohe Ortsauflösung erfordern, muss die Qualität der Detektoren in dem Sinne verbessert werden, dass die Anzahl der "korrupten" Pixel deutlich reduziert wird.

Bei sorgfältiger Adaption der Röntgenparameter, Vorfilterung, geometrischen und elektronischen Vergrößerung (Zoom) und Anwendung digitaler Bildverarbeitung, sind oftmals mind. gleichwertige Prüfergebnisse auch mit einem Röntgenbildverstärker zu erzielen.

Ausnahme:
sehr große Wanddickenunterschiede und sehr hohe Anforderungen an die Ortsauflösung ! Für diese Anwendungen bieten die beschriebenen Flächendetektoren eindeutige Vorteile.

Fazit:
Die Flächendetektoren leisten bereist heute einen wesentlichen Beitrag zur industriellen Röntgenprüfung. Aber dennoch sind aus heutiger Sicht zu viele Fragen offen, um derartige Detektoren als DIE Detektoren der Zukunft bezeichnen zu können !

Literatur:

  1. M.Purschke: Bildgüteprüfkörpererkennbarkeit von Flächendetektoren und Röntgenbildverstärkern - Ein Vergleich -, Jahrestagung der DGZfP, Weimar, 2002
  2. D.Paschen: Div. Radview-Vorträge

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net