DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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320 kV Mikrofokusröntgenröhre und Flächendetektor, eine Kombination für die 3D-CT?

Y. Onel, B. Illerhaus, J. Goebbels
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin
Kontakt: Onel Yener Dipl.-Ing.

Zusammenfassung

Um die Einsatzfähigkeit der 3D-Mikro-CT auf größere oder höher schwächende Bauteile auszudehnen, wurde an der BAM ein weiterer Tomograph errichtet, der mit einer Strahlenquelle mit höherer Energie und mit einem großflächigen zweidimensionalen Detektor ausgestattet ist. Als Strahlenquelle wird eine Mikrofokusröntgenröhre mit einer Maximalspannung von 320 kV, und als Detektor ein Flächendetektor aus amorphem Silizium eingesetzt. Maßnahmen der Streustrahlunterdrückung, der Temperaturstabilisierung und der Vorverarbeitung der Projektionsbilder wurden durchgeführt.

1. Beschreibung der 320 kV Röhre und des Flächendetektors

Um große oder stark schwächende Bauteile hochaufgelöst und schnell tomographisch untersuchen zu können, wurde an der BAM zusätzlich zu den bestehenden Tomographen [1,2] ein weiterer errichtet. Dabei wird eine Mikrofokusröntgenröhre [3] mit einer Maximalspannung von 320 kV eingesetzt. Hier wird zunächst eine Standartmikrofokusröhre mit 200 kV benutzt. Anstelle des auswechselbaren Targets auf Erdpotential wird nun ein auf Öl gekühltes Target mit 120 kV aufgesetzt. Dadurch vergrößert sich die maximal durchstrahlbare Materialdicke um etwa 50%. Die Brennfleckgröße bleibt unter gleichen Bedingungen einer konventionellen Mikrofokusröhre gleich. Wegen des auf Hochspannung liegenden Targets beträgt der minimal mögliche Abstand zwischen dem Brennfleck und dem Röhrenfenster 35 mm. Daher sind geometrische Vergrößerungen nur bis zu ca. 1:30 möglich.

Als Detektor wird ein Flächendetektor aus amorphem Silizium verwendet [4], der mit einer "Lanex fast" Szintillationsfolie bestückt ist (Abb. 1). Die empfindliche Fläche des Detektors ist in 1024 ´ 1024 Elemente unterteilt, die jeweils 400 ´ 400 mm2 groß sind. Die Belichtungszeit pro Projektion liegt in der Regel zwischen einer Sekunde und vier Sekunden und damit liegt die Messzeit für ein 3D-Tomogramm unter einer Stunde. Das gemessene Signal wird direkt im Detektor mit einer Dynamik von 16-Bit digitalisiert. Das Signal-Rausch-Verhältnis des Detektors beträgt im dunklen Zustand 1 zu 3000 und damit liegt das elektronische Rauschen deutlich unter dem Rauschen der Röntgenphotonen.


Abb 1: 320 kV Röhre links mit Flächendetektor rechts.

Die minimale Abtastschrittweite des Systems, d.h. die Ortsauflösung einer 3D-CT-Aufnahme, beträgt 35 mm, und erscheint damit der Untersuchung von größeren Objekten angepaßt.

2. Möglichkeiten der Anlage

2.1 Charakterisierung von frostgeschädigten Betonproben
Dadurch, daß der Detektor bedingt durch seinen Aufbau leichter zu handhaben ist, ergibt sich, im Gegensatz zum Bildverstärker [5], die Möglichkeit einer einfachen Meßkreiserweiterung. Damit können Schattenbilder bis zu einer Breite von 2k Pixel aufgenommen werden. Als Beispiel hier wurde eine Untersuchung zur Charakterisierung von frostgeschädigten Betonproben (Abb. 2) mit dem Ziel der Verifizierung der Detektierbarkeit der räumlichen Riß- und Feuchteverteilung durchgeführt. Hierbei war bei der gegebenen Standardgröße des Probekörpers eine bestmögliche Ortsauflösung gefordert. Bei einem Bohrkerndurchmesser von 100 mm kann eine Ortsauflösung von minimal 65mm erreicht werden, wozu entsprechend eine Bildbreite von 1650 Pixel benötigt wird.


Abb 2: Betonbohrkern.

Die Betonprobe wurde zunächst zu Frost-Tau-Wechsel-Zyklen unterzogen und dann im trockenen Zustand tomographiert (Abb. 3 links). Danach wurde die selbe Probe im befeuchteten Zustand erneut tomographiert (Abb. 3 Mitte). Nach einer exakten Positionierung kann aus beiden Tomogrammen ein Differenztomogramm gebildet werden, das nur die Wasserverteilung in der Probe als positive Dichte wiedergibt (Abb. 3 Rechts). Neben einigen Anreicherungen des Wassergehalts in Rissen zeigt die dargestellte Ebene eine gleichmäßige Verteilung des Wassergehalts außerhalb der Steine. Der zerstörte Stein rechts in der Probe enthält die gleiche mittlere Wasserkonzentration (von ~ 10%) wie das umgebende Bindemittel und ist daher im Differenzbild nicht sichtbar.

Abb 3: CT des Betonbohrkerns nach zyklischer Durchfrostung: Links trocken, Mitte befeuchtet, rechts Feuchtegehalt (Differenzbild).

2.2 Charakterisierung von Elektronenstrahlschweißnähten
Abbildung 4 zeigt eine Schweißnahtprobe, die aus einem dickwandigen Kupferkanister entfernt wurde. Die maximal zu durchstrahlende Dicke des Kupfers betrug hier 30 mm. Die CT-Aufnahme erfolgte mit 320 kV, 0.1 mA und einem Vorfilter von 1.5 mm Sn, bei der minimal möglichen Voxelgröße von 35 mm. In der Abb. 5 werden alle in dem untersuchten Volumen gefundenen Anzeigen aus zwei orthogonalen Richtungen dargestellt. Hierbei wird in dem 3D-CT-Bild entlang einer vorgegebenen Richtung über alle Ebenen eine "Maximum-Minimum" Operation durchgeführt. Auf diese Weise werden alle Dichteschwankungen entlang einer Linie registriert und dargestellt. Im rechten Bild ist ein durchgängiger Bindefehler sichtbar. Es wurden Poren mit einem Volumen von 70³ mm³ nachgewiesen.


Abb 4: Ausschnitt einer Schweißnaht aus einem dickwandigen Kupferkanister.

Abb 5: Übersicht über alle Anzeigen in einem Volumen von 203 mm3 (zu Abb. 4).

2.3 Charakterisierung von oxydativer Schädigung keramischen Hybridwerkstoffen
Der keramische Hybridwerkstoff C/C-SiC wird als Hitzeschild bis zu Temperaturen von 2700 °C eingesetzt. Die Infiltration mit Silizium und die anschließende Bildung von SiC soll dabei das C/C, welches im Temperaturbereich 600 - 900 °C oxidiert, davor schützen, weil die Oxidation zu einen Massenverlust des C/C-Gewebes und somit zu einer Abnahme der Steifigkeit führt. Abbildung 6 zeigt ein Beispiel aus Tomogrammen im Querschnitt eines Probensatzes aus fünf Stäben. Die Versuchsreihe variierte die Oxidationszeit bei 630 °C. Die Abbildung zeigt links oben den Zustand vor und links unten den Zustand nach acht Stunden Oxidation. Im mittleren Bild ist das Differenzbild wiedergegeben, wobei der Massenverlust mit zunehmender Helligkeit in der Darstellung zunimmt. Die Graphik zeigt den prozentualen Massenverlust, der aus den CT-Aufnahmen ermitteltet wurde, für verschiedene Oxidationszeiten.

Abb 6: Bestimmung der oxidativen Schädigung von C/C-SiC.

2.4 Charakterisierung von Leichtmetallgußteilen mit Hilfe von Vorverarbeitung der Projektionsbilder
Entsprechend den Möglichkeiten unserer Anlage ist eine maximale Durchstrahlungslänge von 170 mm Aluminium für die CT gegeben. Wird ein solches Objekt mit stark unterschiedlichen Wanddicken, wie z.B. ein Zylinderkopf tomographiert, so zeigt das Ergebnis extreme Schwankungen in der Materialdichte eines homogenen Objekts (s. Abb. 7 links). Insbesondere störend wirkt die Anzeige von Material außerhalb des Prüfobjekts, d.h. im materialfreien Raum. Dieses Phänomen unterbindet eine weitere Auswertung des 3D-Tomogramms für den Zweck der Konturbestimmung des Objekts. Hierfür sind mehrere Ursachen verantwortlich. Betrachtet man eine Schatttenbildaufnahme eines 2D-Detektors, so kann ein schwaches langreichweitiges Verschmieren des Bildes festgestellt werden. In dem hier beschriebenen Fall beeinflußt ein Pixel alle Nachbarpixel, die in einem Radius von 100 Pixel liegen. Als Folge wurde für 170 mm Aluminium ein Schwächungsfaktor von 13 gemessen, anstatt von 300. Dieser Effekt wird auch als das Hinterleuchten des Prüfobjekts genannt. Zusätzlich zu dieser Lichtstreuung im Detektor verursacht der stark schwächende Zylinderkopf eine vehemente Streuung und Aufhärtung der Röntgenstrahlung, die ihrerseits die Projektionsbilder verfälschen.

Abb 7: Einfluß der Vorverarbeitung des Projektionsbildes auf das Tomogramm.
Links: Original, starke Dichteschwankungen im Objekt, scheinbares Material außerhalb des Objekts, Konturbestimmung nicht möglich.
Rechts: Vorverarbeitet, Dichteschwankungen minimalisiert, korrekte Wiedergabe des materialfreien Raums, Konturbestimmung nun möglich.

Diese Problematik kann behoben werden, wenn die physikalischen Vorgänge, die bis zur Digitalisierung des Projektionsbildes eingreifen, mathematisch beschrieben und entsprechende Algorithmen zur Kompensation der negativen Einflüsse eingeführt werden. Die Verwaschung im Projektionsbild kann durch eine numerische Entfaltung mit der inversen der Verwaschungsfunktion, die energieabhängig ist, korrigiert werden. Leider ist die experimentelle Bestimmung der exakten Verwaschungsfunktion mit großem Aufwand verbunden. Daher werden mathematisch entworfene Modelle zur Hand genommen.

Die Abschwächung einer polyenergetischen Röntgenstrahlung beim Durchdringen eines Objekts erfolgt abhängig von der Energie verschieden stark, so daß das Spektrum zu höheren Energien verschoben wird. Dieser Effekt der Aufhärtung der Strahlen wird mittels einer Korrekturfunktion weitgehend behoben. Sind Detektoreigenschaften und Röhrenspektrum bekannt, so können hier theoretische Werte errechnet werden, in der Regel wird man aber einige Proben gleichen Materials aber verschiedener Dicke durchstrahlen und die Korrekturfunktion experimentell ermitteln.

Die beiden letzten Phänomene sind in ihrer Wirkung auf das Projektionsbild scheinbar entgegengesetzt. Bei einer tomographischen Aufnahme ist der Abstand zwischen Objekt und Detektor so groß, daß die Streustrahlung, die vom Objekt verursacht wird, als homogener Untergrund in geeigneter Weise abgezogen werden kann. Berücksichtigt werden muß dann noch, daß der reale Meßwert bei so hoher Schwächung unterhalb oder im Bereich des Signalrauschen liegen kann und eine dynamisch angepaßte Rauschunterdrückung verwendet werden sollte, um Nulldurchgänge zu vermeiden.

Abbildung 7 rechts zeigt die Auswirkung der Vorverarbeitung der Projektionsbilder auf eine Ebene aus dem 3D-Tomogramm. Die eingezeichneten Linien sind unten im Grauwertprofil wiedergegeben. Durch die verwendeten Korrekturen haben jetzt die Bereiche, in denen kein Material sein sollte, einen Grauwert von kleiner als 10 Prozent des Maximums. Die jetzt bestimmbar gewordenen Wandstärken wurden mit Messungen am realen Objekt verglichen. Es wurde ein durchgängiges Untermaß von 1 bis 2 Pixel für die Ergebnisse aus der Tomographie festgestellt.

3. Verbesserung des Projektionsbildes

Seit dem Beginn der 3D-CT in den 1990er Jahren werden Flächendetektoren als bildgebende Komponenten eingesetzt. Bei Verwendung einer Korrektur für die geometrische Kissenverzerrung der meistens verwendeten Bildverstärker ergab die Rekonstruktion ein dem menschlichen Auge erkennbar geometrisch richtiges Bild, das aber von starken Fehlern bei der Materialdichte begleitet war. Die Erkennbarkeit von Fehlern wie Lunkern oder Einschlüssen ist aber trotzdem gegeben. Die Einführung von großflächigen Detektoren auf der Basis von amorphem Silizium und deren schneller Verbreitung in der Medizin führte auch zu ihrem Einsatz in der zerstörungsfreien Materialprüfung. Mit der nun verfügbaren höheren Dynamik erschien eine Rückentwicklung von Querschnitszeichnungsdaten aus den CT-Bildern naheliegend. Um dies zu ermöglichen müssen aber zunächst mehrere Korrekturmechanismen berücksichtigt werden. Die numerische Vorverarbeitung der Projektionsbilder wurde in Kapitel 2.4 vorgestellt. Zu den Korrekturmaßnahmen zählt auch die Beseitigung von vermeidbarer Streustrahlung von Gegenständen die im Strahlungsfeld sind, sowie die Unterdrückung von Nebenstrahlung aus der Röhre, die nicht vom eigentlichen Brennfleck erzeugt wird. Als nächstes sollte der Detektor auf +/-0.5 °C temperaturstabilisiert werden. Eine Absenkung der Arbeitstemperatur des Detektors wirkt sich zudem günstig aus.

4. Zusammenfassung und Ausblick

Mit der beschriebenen Anlage ist eine genaue und schnelle 3D-Bauteilanalyse möglich. Die reguläre Prüfzeit beträgt 45 Minuten, die minimale Ortsauflösung 35 mm und es können bis zu 2000 Pixel breite CT-Bilder aufgenommen werden. Die maximale Objektgröße für eine CT-Aufnahme wird in erster Linie bestimmt durch die maximale Durchstrahlungslänge von 170 mm Aluminium bzw. 45 mm Stahl.

Dem allgemeinen Wunsch der industriellen Anwender folgend wäre eine weitere Steigerung der durchstrahlbaren Materialdicke durch eine effizientere Umwandlung der Röntgenstrahlen und durch den Einsatz höherer Strahlungsenergie möglich.Diese Untersuchungen wurden durch Unterstützung der DFG ermöglicht.

Literatur

  1. Riesemeier, H., Goebbels, J., Illerhaus, B., Onel, Y., Reimers, P., "3-D Mikrocomputertomograph für die Werkstoffentwicklung und Bauteilprüfung", DGZfP Berichtsband 37 (1993) p. 280
  2. Illerhaus, B., Goebbels, J., Reimers, P., "The Principle of computerized Tomography and and its Application in the Reconstruction of Hidden Surfaces of Art", 4th Int. Conf. NDT of Works of Art, DGZfP Berichtsband 45,1 (1994) p. 41
  3. www.yxlon.de
  4. www.perkinelmer.com
    (http://optoelectronics.perkinelmer.com/Downloads/rid1640.pdf)
  5. Illerhaus, B., Goebbels, J., Riesemeier, H., Staiger, H., "Correction techniques for detector systems in 3D-CT" . Proceedings of SPIE Vol. 3152, (1997)

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