DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Brennfleckmessung von Röntgenröhren mit Speicherfolien

U. Zscherpel, U. Ewert, C. Rädel, B. Redmer, BAM Berlin
K. Holm, W. Wandfluh, R. Steiner, Comet AG, Flamatt, Schweiz
Kontakt: Dr. rer.nat. Uwe Zscherpel

1. Einleitung und Zielstellung

Die CEN-Norm EN 12543 (Erstausgabe 1999) "Zerstörungsfreie Prüfung Charakterisierung von Brennflecken in Industrie-Röntgenanlagen für die zerstörungsfreie Prüfung" Teil 1 bis 5 legt die Messverfahren sowie die Größenangaben von Röntgenröhren-Brennflecken für die industrielle Durchstrahlungsprüfung fest. Dabei wird standardmäßig bei den Röntgenröhren-Herstellern das radiographische Lochkamera-Verfahren nach Teil 2 dieser Norm eingesetzt. Als Strahlungsdetektor nach dieser Norm soll ein Röntgenfilm mit mindestens der Filmsystemklasse C6 nach EN 584-1 verwendet werden. Dieser Film wird visuell auf einem Leuchtkasten mit einer Messlupe der Vergrößerung 5x bis max. 10x und einer Skala mit 0,1 mm Teilung ausgewertet. Der Röntgenfilm soll ohne Folien und bis zu einer optischen Dichte zwischen 1.5 und 2.5 belichtet werden. Die sichtbare Ausdehnung der geschwärzten Filmfläche geteilt durch den verwendeten Vergrößerungsfaktor der Lochkamera ergibt die Länge des Brennfleckes (BF) in Röhrenachse bzw. die Breite senkrecht zur Röhrenachse.
Werden diese Angaben für Zertifikate verwendet, so ist sicherzustellen, dass diese Angaben mit einer Messunsicherheit von ± 10% mit den Messwerten nach EN 12543 Teil 1 (Scan-Verfahren) als Referenzverfahren übereinstimmen.
Diese nach den aktuellen CEN-Normen durchgeführte Brennfleckbestimmung verursacht bei den Herstellern hohe Verbrauchskosten (für Filme und Entwicklerchemie) und einen hohen Zeitaufwand für Auswertung und Protokollierung. Deshalb wurde im Auftrag eines Herstellers untersucht, ob eine modifizierte Variante, die eine computerbasierte Bilderfassung und -auswertung umfasst, zu den gleichen Resultaten wie die exakt nach EN 12543 Teil 1 und Teil 2 durchgeführten Messungen mit einer Messunsicherheit von ± 10% gelangt.
Als Strahlungsdetektor wurden dabei Speicherfolien sowie die dazugehörigen Abtastsysteme verwendet, die digitale Grauwertbilder mit einer Dynamik von 12 bis 16 Bit liefern. Der Grauwert ist dabei der Strahlungsdosis, die die Speicherfolie erreicht, direkt proportional.
Das Auswerteverfahren wurde angepasst und vereinfacht, indem die quantitative Schwelle von 10% gegenüber dem Untergrund (siehe EN 12543-1) zur Auswertung der Aufnahmen mit Brennfleck-Kamera (nach EN 12543-2) verwendet wurde.
Als repräsentative Untersuchungsobjekte wurden 3 Brennflecke unterschiedlicher Größe (großer Fokus 5mm, kleiner Fokus 1 mm und Minifokus 0,5 mm nach EN 12543) ausgewählt. Die Röntgenröhren (max. Spannung 160 kV) wurden bei 120 kV Röhrenspannung und Nennleistung betrieben.

2. Referenzverfahren nach EN 12543-1 (BF-Scanner)

In Abb. 1 ist das Prinzip und der Messaufbau dargestellt. Diese Anordnung geht auf [1] zurück und wurde vor ca. 10 Jahren als Referenzverfahren in die CEN-Normung eingeführt. Die Dicke des Kreuzschlitz-Kollimators (je 20 mm, siehe Abb. 1) entspricht den Anforderungen der EN 12543-1 und bestimmt zusammen mit der Kreuzschlitzbreite (normal 13 µm oder 50 µm für Brennflecke > 3mm) die Unschärfe dieser Messanordnung. Diese nicht unerhebliche Unschärfe führt durch die Faltung der Brennfleckabbildung mit der Spaltunschärfe zu einer "Verschmierung" der Brennfleckabbildung und muss bei der Ergebnisauswertung berücksichtigt werden.

Abb 1: Prinzip (links) und Messaufbau (rechts) des Referenzverfahrens nach EN 12543-1 (BF-Scanner der BAM).

Abb. 2 bis 4 zeigen die Auswertungsergebnisse der Messungen mit dem BFScanner, links die Isodosis-Darstellung und rechts jeweils die 3DIntensitätsverteilung. Für diese Darstellung werden die Messdaten in eine ExcelTabelle importiert und als Oberflächen-Diagramm dargestellt. Die Intensitätsachse wurde zwischen Minimum (Untergrund) und Maximum in 10% breite Bänder unterteilt, die mit abwechselnden Farben dargestellt werden. Aus der max. Ausdehnung in X- und Y-Richtung der Fläche, die von der 10 % Isodosis-Linie umschlossen wird, ergibt sich die jeweilige Brennfleckgröße (siehe eingetragene Vermaßung in der linken Spalte in Abb. 2 bis 4). Dabei ist zu beachten, dass Excel bei der Darstellung mit Interpolationen arbeitet, um die Darstellung abgerundet erscheinen zu lassen. Damit wird die genaue Höhe der 10%-Linie bestimmt, da die Pixelwerte selbst nicht genau bei 10 % liegen.

Abb 2: Excel-Auswertung der Messung mit dem BF-Scanner, großer Fokus.
Abb 3: Excel-Auswertung der Messung mit dem BF-Scanner, kleiner Fokus.
Abb 4: Excel-Auswertung der Messung mit dem BF-Scanner, Minifokus.

3. Aufnahmeanordnung mit Lochkamera nach EN 12543-2

In Abb. 5 sind das Prinzip und die Aufnahmeanordnung für die Messungen mit den Brennfleckkameras (BF- oder Loch-Kamera) gezeigt. In einem ersten Schritt wurden die Filmaufnahmen mit BF-Kamera visuell ausgewertet, die zum Prüfschein der Röntgenröhren gehörten. Außerdem wurden Filmaufnahmen mit AGFA D4 Film ohne Folien angefertigt, die anschließend auch digitalisiert wurden.
Um die Brennfleckgrößen in Digitalbildern der BF-Kamera zu bestimmen, wurde ein analoges Vorgehen wie beim BF-Scanner (Referenzmethode) benutzt. Am dosisproportionalen Grauwertbild wurde die Brennfleckfläche segmentiert, deren Pixelwerte mindestens 10 % über dem Untergrund lagen. Für diese Auswertung wurde das frei verfügbare (von "http://rsb.info.nih.gov/ij") Bildverarbeitungsprogramm "ImageJ" (siehe Abb. 8, rot markierte Fläche) oder das von der Firma Comet entwickelte Programm "BFV" (siehe Abb. 9, blau markierte Fläche) benutzt. Ein umschließendes Rechteck ergibt die Breite und Länge des Brennflecks (unter Berücksichtigung von Pixelgröße und Vergrößerungsfaktor der BF-Kamera).

Abb 5: Prinzip (links) und Messaufbau (rechts) der Aufnahmeanordnung mit Lochkamera nach EN 12543-2. Der Abstand zwischen Lochblende und Röhrenfokus /Anode) beträgt 100 mm, zwischen Lochblende und Speicherfolie 200 mm (2-fache Vergrößerung, 100 µm Blende, großer Fokus) bzw. 400 mm (4-fache Vergrößerung, 30 µm Blende, kleiner und Minifokus).

4. Verwendete Speicherfolientechnik

Mittlerweile sind auf dem Dental-Markt preiswerte und kleine Speicherfolien-Systeme verfügbar, die sich mit dem PC einfach über eine USB-Schnittstelle koppeln lassen. Für die hier untersuchte Anwendung zur Brennfleckvermessung mit Lochkamera wurde ein System der Firma Dürr [3] ausgewählt, welches in Kombination mit hochauflösenden Speicherfolien der Firma FUJI die für Vermessung kleiner Brennflecke notwendige Ortsauflösung besitzt. In Abb. 6 rechts ist die erreichbare Unschärfe anhand des Doppeldraht-BPK nach EN 462-5 dargestellt. Das kleinste Doppeldrahtpaar DD 13 wird noch zu 50% getrennt (">>DD13"), d.h. die Unschärfe ist deutlich kleiner als 100 µm.

Abb 6: links: Ansicht des CR-Abtastsystems "VistaScan" von Dürr mit dem Speicherfolien-Löschgerät, rechts: Ortsauflösung dieses CR-Systems mit FUJI Speicherfolien "SR", gemessen mit dem Doppeldrahtsteg nach EN 462-5, >>DD 13 entspricht einer Unschärfe von besser als 100 µm (ca. 50 µm).

In Abb. 7 wird die Abbildung des Minifokus-Brennfleckes (Brennfleckgröße 0,5 mm) in Falschfarben-Darstellung in Abhängigkeit von der Detektorunschärfe gezeigt. Während der digitalisierte D4-Film und das Dürr CR-System die Brennfleckstruktur vollständig auflösen, ist bei dem CR-System von Orex sowie dem BF-Scanner die Verschmierung der Brennfleckstruktur durch die Abbildungsunschärfe deutlich sichtbar.

Abb 7: Vergleich der Abbildungen des Minifokus-Brennflecks, von links nach rechts: BF-Kamera mit CR-System Dürr, CR-System Orex, D4-Film digitalisiert, BF-Scanner. Deutlich sind die verschiedenen Unschärfen der Abbildungen zu sehen.

5. Vergleich der Ergebnisse

Der Vergleich aller untersuchten Messverfahren für alle 3 Brennfleckgrößen ist in [2] zu finden. Exemplarisch sollen hier nur ausgewählte Ergebnisse (für den großen Brennfleck) gezeigt werden.
In Abb. 8 wird die Auswertung der 10%-Intensitätsschwelle der BF-Aufnahme mit dem CR-System von Dürr gezeigt. Es ergibt sich eine Brennfleckgröße von 3,2 x 3,4 mm2. Eine andere CR-Aufnahme mit noch höherer Vergrößerung ist in Abb. 9 zu sehen, die Auswertung erfolgte hier mit dem Programm "BFV". Neben der Brennfleckgröße (3,0 x 3,6 mm2) kann hier auch die Verschiebung des Brennfleckmittelpunktes von der Röhrenmittelachse (durch Aufbelichtung des Fadenkreuzes der BF-Kamera bei entfernter Lochblende) vermessen werden.

Abb 8: Auswertung der BF-Größe mit dem Programm "ImageJ". Von links nach rechts: 1. Falschfarbendarstellung der BF-Aufnahme mit Lochkamera und CR-System von Dürr, 2. Segmentierung der Fläche mit Intensitäten größer 10% (rot), 3. interaktive Schwellwerteinstellung zu 10%, 4. segmentierte 10%-Fläche mit umschließenden Rechteck zur BF-Größenvermessung. Geometrie: großer Fokus, Brennfleck-Kamera 2x, 50 µm Pixelgröße
Abb 9: Ergebnisse der Auswertung mit dem Programm "BFV", großer Fokus, Brennfleck-Kamera 4x, CR-System Dürr, 12,5 µm Pixelgröße

Alle Messergebnisse erfüllen ausnahmslos die Bedingung der max. Messunsicherheit von ±10%, d.h. der Messwert für Fokuslänge und Breite liegt inklusive der einfachen Messunsicherheit innerhalb des Bandes von ±10% relativ zum Referenzwert, der mit dem BF-Scanner bestimmt wurde. In Abb. 10 ist die relative Abweichung aller Ergebnisse für den großen Brennfleck gezeigt.


Abb 10: relativer Ergebnisvergleich der untersuchten Messverfahren am Beispiel des großen Fokus (Referenzwerte: Breite 3,6 mm und Länge 3,2 mm) incl. Messunsicherheit (senkrechte Fehlerbalken).

Die größte Messunsicherheit liefert dabei das Referenzverfahren selbst, da dort die Unschärfe und Pixelgröße am größten ist. Die Pixelgröße lässt sich prinzipiell verringern (Programmänderung notwendig), ist aber bei einer Abbildungsunschärfe von > 300 µm nicht sinnvoll. Diese ist durch die Scannerkonstruktion vorgegeben und erfüllt alle Anforderungen nach EN 12543-1.

6. Fazit

Der Ergebnisvergleich lässt sich wie folgt zusammenfassen:
  • Der Ersatz von Filmen durch Speicherfolien ist möglich.
  • Es werden keine Verbrauchsmaterialien mehr benötigt.
  • Es wird eine höhere Messgenauigkeit des Verfahrens bei einer Kombination von Lochkamera und Speicherfolien-Auswertung als das jeweilige Einzelverfahren nach EN 12543 Teil 1 oder Teil 2 erzielt.
  • Die Abbildungs-Unschärfe des CR-Systems (nach EN 462-5) muss kleiner als die geometrische Unschärfe der Lochkamera sein. Das CR-System "Vistascan" von Dürr erfüllt diese Bedingung.
  • Das Referenzverfahren nach EN 12543-1 besitzt eine größere Abbildungsunschärfe und benötigt eine längere Messzeit als Verfahren mit Lochkamera nach EN 12543-2 mit Speicherfolien.

Über die in [2] und hier vorgestellten Untersuchungen wurde der Firma Comet ein Zertifikat von der unabhängigen BAM-Zertifizierungsstelle ausgestellt [4], welches bestätigt, das das o.g. CR-System zur Brennfleckvermessung zur Bestimmung der Brennfleckgröße nach EN 12543-2 geeignet ist.

7. Literatur

  1. M. Purschke, M. Schäfer, Ahrensburg: "Wirksame Brennfleckgröße von Röntgenröhren", Materialprüfung 33 (1991) 10, S. 300 - 303
  2. U. Zscherpel, U Ewert, C. Rädel: Bericht zur wissenschaftlichen Vorstudie über das Thema: "Untersuchung der Möglichkeit zur Brennfleckvermessung von Röntgenröhren mittels Speicherfolien als Filmersatz nach EN 12543-2 und Vergleich der Ergebnisse mit der Referenzmethode nach EN 12543-1 (Scan-Methode) exemplarisch für 3 unterschiedliche Brennfleckgrößen", Nov. 2003, BAM Berlin, Labor VIII.31 "Durchstrahlungsverfahren"
  3. siehe www.duerr.de
  4. Zertifikat Nr. BAM/ZBA/001/2004 der BAM-Zertifizierungsstelle

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net