DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Mobiler Einsatz digitaler Röntgen-Detektoren zur tomografischen Visualisierung flächiger Fehler im Anlagenbereich

B. Redmer, U. Ewert, C. Rädel, U. Zscherpel, BAM Berlin A. V. Likhatchov, V. V. Pickalov, Institute for Theoretical and Applied Mechanics, Novosibirsk (RUS)
Kontakt: Dipl.-Ing. Bernhard Redmer

1. Einleitung

Durch die mechanische Führung einer Röntgenröhre vor einer Schweißnaht und Verwendung eines flächigen Halbleiterdetektors hinter der Schweißnaht können mehrere hundert radiologische Projektionen in kleinen Winkelschritten erfasst werden. In Verbindung mit einem hochauflösenden Flachdetektor werden hierbei sehr feine Risse mit hoher Auffindwahrscheinlichkeit nachgewiesen und vermessen. Die tomografische Rekonstruktion gestattet die 3-dimensionale Darstellung der Fehler. Zur 2- und 3-dimensiomalen Visualisierung flächiger Fehler mit Fehleröffnungen <100 µm in Rundschweißnähten wird ein neuartiges digitales, radiologisches Detektorsystem mit geringer innerer Unschärfe und hohem Bildkontrast eingesetzt. Es handelt sich hierbei um einen seit kurzem erhältlichen CMOS-Flächendetektor mit direkter Konvertierung der Röntgenstrahlung in Ladungsträger auf CdTe-EinkristallBasis. Die kleine Bauform ermöglicht den Einsatz in mobilen Prüfeinrichtungen für die mechanisierte Durchstrahlungsprüfung im Anlagenbereich. Die physikalische Pixelgröße beträgt 0,1x0,1 mm2. Im Vergleich zu Detektoren mit indirekter Konvertierung (z.B. Zeilenkameras mit Fluoreszenzfolien aus Gd2O2S) wird eine bessere Ortsauflösung erreicht. Das Fehlen einer zusätzlichen Lichtstreuung durch die direkte Konvertierung führt zu einem Übertragungsverhalten nahe der theoretisch erwarteten Grenze. Damit ermöglicht das System den Nachweis von flächigen Fehlern mit einer Öffnung unterhalb der Detektor-Pixelgröße durch Sub-Pixelauflösung. Diese Prüftechnik zur mechanisierten Durchstrahlungsprüfung "TomoCAR" wird zur Zeit im Rahmen einer deutschen Pilotstudie nach ENIQ-Richtlinien für den Einsatz im kerntechnischen Anlagenbereich qualifiziert.

2. Mechanisierte Durchstrahlungsprüfung "TomoCAR"

Der Hauptbestandteil dieser Entwicklung besteht in der Zusammenführung neuer digitaler Detektorsysteme für radiologische Anwendungen, der Entwicklung eines neuen Röntgenröhrenkonzeptes und moderner Softwarekonzepte zu einem Gesamtgerät für mobile Prüfungen von ferritischen oder austenitischen Rundschweißnähten im Anlagenbereich (Bild 1). "TomoCAR" beinhaltet dabei die laminografische Analyse von Rundschweißnähten hinsichtlich flächiger und voluminöser Fehler. Die rekonstruierten Querschnittsbilder erlauben sowohl die qualitative Auswertung der Anzeigen (z.B. Risse, Bindefehler, Kerben) als auch die quantitative Vermessung der Anzeigen, z.B. Tiefenlage in der Schweißnaht, Tiefenerstreckung und Länge.

Bild 1: Prüfeinrichtung "TomoCAR" zur mobilen Prüfung von Rundschweißnähten. Oben ist die neue Röntgenröhre in Flachbauweise (240 kV, 600W) und unten eine Zeilenkamera mit integriertem Schlitzkollimator zu sehen.

Mit "TomoCAR" können Rohrleitungen mit einem Durchmesser von 175 mm bis 600 mm und in einem Wanddickenbereich von 6 mm bis 25 mm (durchstrahlte Dicke: 12 mm bis 50 mm) analysiert werden. Die Messunsicherheit beträgt ±1 mm.

2.1. Neue Röntgenröhre in Flachbauweise für den ortsveränderlichen Betrieb

Bild 2 zeigt eine neu entwickelte Röntgenröhre in Flachbauweise, welche für die Prüfung mit "TomoCAR" mit einem speziellen Röhrenfenster (Fächerstrahlgeometrie) ausgestattet wurde. Die maximale Röntgenspannung beträgt 240 kV, die Nennleistung 600W und die Brennfleckgröße 0,5 mm nach DIN EN 12543. Das Röhreninlay ist in Metall-Keramik Technik ausgeführt. Die Bauform selbst ist klein und sehr kompakt [1].

Bild 2: Neue Röntgenröhre in Flachbauweise. (Hersteller: rtw Röntgen-Technik Dr. Warrikhoff KG, Neuenhagen b. Berlin)

2.2. Digitale radiologische Detektoren

Digitale Detektoren (z.B. Zeilenkamera oder Flächendetektor) sind besonders für radiologische Prüfanwendungen geeignet. Die Datenerfassung und Synchronisation mit einem Manipulationssystem kann über intelligente Softwarelösungen realisiert werden.

Radiologische digitale Detektoren unterteilt man im wesentlichen in zwei Klassen: indirekt konvertierende Detektoren und direkt konvertierende Detektoren. Indirekt konvertierende Detektoren arbeiten mit einer 2-Schritt-Konvertierung. Im ersten Schritt wird die einfallende Röntgenstrahlung über einen Szintillator in Licht gewandelt und anschließend das Licht von Photodioden detektiert und in ein elektrisches Signal gewandelt. Die bekanntesten Szintillatoren sind Cäsiumjodid (CsI) oder Gadoliniumoxidsulfid (Gd2O2S). Direkt konvertierende Detektoren wandeln einfallende Röntgenstrahlung direkt in ein elektronisches Signal um. Als Detektormaterialien werden dabei überwiegend Photoleiter wie amorphes Selen (a-Se) oder Cadmiumtellurid - Einkristalle (CdTe) verwendet [2].

2.2.1. Zeilenkamerasysteme

Das verwendete Röntgenzeilenkamerasystem (Bild 3) besteht aus zwei CMOSPhotodiodenzeilen mit auf der Diodenzeile aufgesetzter Fiberoptik, die das ausgesendete Licht des Szintillationsschirms Gd2O2S als Konverter weiterleitet. Damit lässt sich die gesamte Elektronik von der einfallenden Röntgenstrahlung abschirmen. Das ist ein wesentlicher Vorteil in Bezug auf die Lebensdauer des Detektors gegenüber dem Flächendetektor, bei dem sich konstruktionsbedingt die Detektorelektronik direkt im Strahlengang befindet. Die Dicke des Szintillationsschirmes beträgt 250 µm bis 300 µm.

Bild 3: Ansicht des Zeilenkamerasystems, montiert im Manipulatorhalter. Die Zeilenkamera enthält zwei CMOS-Zeilen und einen doppelten Schlitzkollimator zwischen den CMOS-Zeilen und dem Kameragehäuse. Die Kameragröße beträgt 200mm x 70mm x 40mm. (Hersteller: NTB elektronische Geräte GmbH, Dickel)

Ein Schlitzkollimator, dessen Schlitzbreite in einem Bereich um 0,2 mm einstellbar ist, ist direkt vor der Zeile positioniert und dient der Streustrahlenreduktion. Untersuchungen haben gezeigt, dass bereits eine Schlitzbreite von 0,5 mm zu einer Reduktion der Streustrahlung von 95% führt und sich damit ein verbesserter Bildkontrast ergibt. Eine Temperaturkontrolle ist nicht notwendig.

Die Pixelgröße des gegenwärtig verwendeten Zeilenkamerasystems beträgt 0,083 mm (12 Pixel pro mm) bei 1854x2 Pixel insgesamt. Die Wanddickenkontrastauflösung ist besser 2% und die Basisortsauflösung (basic spatial resolution) beträgt 0,2 mm bis 0,25 mm. Flächige Inhomogenitäten können mit einer höheren Auffindwahrscheinlichkeit detektiert werden. Der durchstrahlbare Wanddickenbereich bei einem Signal-Rausch-Verhältnis von 50:1 beträgt 16 mm bis 50 mm. Die gesamte Belichtungszeit einer Rundschweißnaht ist mit der klassischen Filmradiografie vergleichbar.

2.2.2. Flächendetektorsysteme

Bild 4a zeigt den grundsätzlichen Aufbau und Bild 4b das Funktionsprinzip des verwendeten Flächendetektors. Der Flächendetektor basiert auf 2-dimensionalen CMOS-Arrays und aufgesetzten CdTe-Kristallen, deren Schichtdicke 0,75 mm beträgt. Bei der Konvertierung der Röntgenquanten werden Elektronen/Loch-Paare direkt im CdTe-Kristall erzeugt, die von den einzelnen Pixelelektroden und dem CMOS-Array gesammelt werden und als elektronisches Signal an einen A/DWandler geführt werden.
Die Elektronik und das Interfaceboard befinden sich hinter dem Hybridboard, auf dem die CMOS-Arrays und die CdTe-Einkristalle als Detektoren angeordnet sind. Die gesamte Detektorfläche setzt sich aus mehreren Einzelkomponenten zusammen, zwischen denen "tote Linien" (Bildinformation gleich Null) vorhanden sind. Diese werden über eine Korrekturrechnung nach der Messung unterdrückt. Die maximale übertragbare Bildrate beträgt 50 Bilder pro Sekunde. Der Detektor ist mit einer elektronischen Temperaturstabilisierung ausgestattet [3,4].

Bild 4: a.) Aufbau des Flächendetektors. b.) Konvertierungsprinzip: Einfallende Röntgenquanten erzeugen direkt im CdTe-Kristall Elektronen/Loch-Paare. Das am Kristall angelegte elektrische Feld übt auf die freien Ladungsträger eine Kraft aus. Die freien Elektronen wandern zur Anode, die Fehlstellen zur Kathode. (Hersteller: Oy Ajat Ltd., Espoo, Finnland)

Der Detektor hat eine sensitive Fläche von 25 mm x 51 mm. Die Auflösung beträgt 100 µm x 100 µm. Die maximale Kontrastempfindlichkeit ist besser als 0,6%, die Ortsauflösung von 5 lp/mm ist nur durch die Pixelgröße begrenzt.

Bild 5 zeigt Aufnahmen von einer Eisenplatte mit Nuten verschiedener Breiten. Bild 5a wurde mit der Zeilenkamera und Bild 5b mit dem Flächendetektor gemessen. Das mit der Zeilenkamera gemessene Bild weist ein geringeres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) auf. Die 65 µm-breite Nut ist nicht eindeutig erkennbar. Ab einer Nutbreite kleiner 200 µm wird der Kontrast zusätzlich durch die Detektorunschärfe reduziert. Dagegen wird im Bild 5b die 65 µm breite Nut durch den Flächendetektor mit optimalem Signal-Rausch-Verhältnis detektiert. Dies ist u.a. auf das geringe elektronische Rauschen des Flächendetektors bei direkter Konvertierung zurückzuführen, welches bei höheren Akkumulationszeiten keine signifikante Zunahme aufweist. Andererseits können durch die sehr geringe innere Detektorunschärfe (Auflösungsgrenze durch Pixel-Sampling bestimmt) flächige Fehler mit Fehlerbreiten weit unterhalb der Detektorpixelgröße (z.B. Risse) nachgewiesen werden.

Bild 5: Vergleich zur Auflösung an Hand einer Eisenplatte mit Nuten verschiedener Breiten: a.) gemessen mit Zeilenkamera; b.) mit Flächendetektor.

2.3. Bestimmung des Rohrwandquerschnittes mittels tomografischer Methoden

Das Grundproblem der Radiografie und radiologischer Scantechnik ist die Abhängigkeit des gemessenen Risskontrastes von der Strahlungsrichtung in Relation zur Risslage. Nur die Durchdringung parallel zur Rissfläche (in Richtung der Risslage) führt zu einem optimalen Bildkontrast. Der an der BAM entwickelte Scanner (Bild 6) erlaubt eine kontinuierliche, mechanisierte Änderung der Einstrahlrichtung und daher die sichere Detektion von flächigen Defekten, die in radialer Richtung orientiert sind bzw. in Umfangsrichtung verlaufen. Projektionen der Schweißnaht aus unterschiedlichen Einstrahlwinkeln führen zur Mehrwinkel-Technik, die die Auffindwahrscheinlichkeit von flächigen Defekten wesentlich verbessert. So ist es auch möglich, den Analysemanipulator für spezielle Prüfaufgaben (z.B. Flankenbindefehler) zu konfigurieren.

2.3.1. Computer-Laminografie

Das Anwendungsprinzip basiert auf der Mehrwinkel-Technik. Die Röntgenröhre wird entlang der Rohrachse Schritt für Schritt verschoben. Für jeden Schritt wird ein 360°-Scan oder nur ein Teilbereich vom Rohrumfang als 2-dimensionale Projektion erfasst. Im Gegensatz zur Röntgenröhre wird das Detektorsystem nicht parallel zur Rohrachse während der Einzelmessung verschoben. Dieses Aufnahmeprinzip entspricht der koplanaren Translations-Laminografie, die an die Erfordernisse für die Prüfung von Rundschweißnähten angepasst wurde (Bild 6).

Bild 6: Aufnahmeprinzip der Computer-Laminografie. Für jede Einstrahlposition von 1 bis N werden 2-dimensionale Projektionen aufgenommen. Dabei werden die Röntgenröhre (oben) und der Detektor (unten) synchron um das Rohr verfahren.

Wenn zur Parallelverschiebung der Röntgenröhre zur Rohrachse zusätzlich jeder Einzelscan mit einer zirkularen Verschiebung (Prescan und Postscan) kombiniert wird, dann kann das Prinzip der koplanaren Rotations-Laminografie angewendet werden. Eine ausführliche Beschreibung ist in [5] zu finden.

Infolge dieser Analogie zwischen der Mehrwinkel-Technik und der Laminografie ist es möglich, eine 3-dimensionale Rekonstruktion einer Rundschweißnaht durchzuführen. Dabei werden nur diejenigen Projektionen einbezogen, die signifikante Elemente, beispielsweise von einem Riss, enthalten. Die Auswahl dieser relevanten Projektionen basiert auf der Anwendung symmetrischer Mustererkennungsalgorithmen mittels Kovarianz-Analyse, wie in [6] beschrieben.

Die Rekonstruktion eines Längsrisses in einem rundgeschweißten Austenitrohr mit einem Durchmesser von 140 mm und einer durchstrahlten Dicke von 26mm zeigt Bild 7.


Bild 7: Oberflächen-Rendering eines Längsrisses: a) rekonstruiert aus selektierten Anzeigen nach nicht-linearer Filterung und b) rekonstruiert nach Vorverarbeitung mit einer Hoch-TiefpassFilterkombination.

2.3.2. Planartomografie

Für Prüfaufgaben größerer Genauigkeit kann die Planartomografie angewendet werden. Zu diesem Zweck verbleibt der Detektor an der Analyseposition und die Röntgenröhre wird kontinuierlich parallel zur Rohrachse und innerhalb eines Einstrahlwinkelbereiches von ±45° (bezogen auf die Detektornormale) verschoben. Während der kontrollierten Bewegung der Röntgenröhre werden mehr als 400 Projektionen erfasst. Jede einzelne Projektion repräsentiert dabei einen bestimmten Einstrahlwinkel, so dass das Prinzip der Mehrwinkel-Technik genutzt wird (Bild 8).

Bild 8: Aufnahmeprinzip der Planartomografie. Innerhalb des Einstrahlwinkelbereiches wird die Röntgenröhre kontinuierlich verfahren und N Einzelprojektionen erfasst. Der Detektor verbleibt an der Analyseposi-ti-on.

Als Rekonstruktionsmethode wird die gefilterte Rückprojektionstechnik, angepasst an die Aufnahmegeometrie, genutzt. Die Messzeit, die der Belichtungszeit eines Filmes entspricht, hängt im wesentlichen vom zu erzielenden Signal-Rausch-Verhältnis und der durchstrahlten Dicke ab. Die Rekonstruktionszeit für ein Querschnittsbild beträgt ca. eine Minute auf einem PC. Das Ergebnis ist ein Querschnittsbild der Rohrwand, welches dem metallografischen Schliffbild entspricht (Bild 9b und c).

Bild 9: Ergebnisse von 'TomoCAR'-Messungen - Querschnittsbilder eines austenitischen Rohres (Durchmesser: 250 mm, durchstrahlte Dicke: 24 mm).
a.) Rekonstruktion einer inneren Schweiß-nahtschicht, 2 mm unter der äußeren Oberfläche und mit Flächendetektor gemessen.
b.) Querschnittsbild an Position 1 von 9a.
c.) Querschnittsbild an Position 2 von 9a.
d.) Querschnittsbild an Position 2 von 9a,
gemessen mit Zeilenkamerasystem und rekonstruiert mittels gefilterte Rückprojektions-Technik und einem neuem Verfahren zur Oberflächenre-konstruktion.

Dieser Messalgorithmus als typisches Analyseverfahren wird hauptsächlich für die Rekonstruktion des Querschnittbildes an einer bestimmten Analyseposition genutzt. Die genaue Anzeigengeometrie (Größe und Form der Anzeige) kann dabei bestimmt werden.

In einem zweiten Rekonstruktionsschritt werden Wanddicke und innere Oberflächenkontur des Rohres ohne zusätzliche Messung bestimmt. Zu diesem Zweck wird die äußere Oberflächenkontur an Hand von aufgelegten Kupfermarkern auf der Oberfläche im Querschnittsbild bestimmt und als a priori Information zur Rekonstruktion der inneren Oberflächenkontur genutzt. Diese Rekonstruktionsmethode basiert auf der Variation der Oberflächenfunktion und der Minimierung der Fehlerquadratsumme zwischen berechneten (simulierten) und gemessenen Einzelprojektionen. Dies kann nur unter der Annahme durchgeführt werden, dass das exponentielle Absorptionsgesetz als das Hauptmodell für die Wechselbeziehungen zwischen Röntgenstrahlung und Material gilt. Aufhärtungseffekte werden dabei beachtet. Das Ergebnis ist ein binäres Bild, welches zum "Ausschneiden" des relevanten Querschnittsbildes der Rohrwand genutzt wird.

Bild 9d zeigt eine komplette Rekonstruktion des Querschnittsbildes auf Grundlage beider Rekonstruktionsschritte (gefilterte Rückprojektionstechnik und iterative Oberflächenrekonstruktion), in welchem alle Anzeigen hinsichtlich Tiefenlage und Tiefenerstreckung in Bezug zur äußeren und inneren Oberflächenkontur ausgemessen und bewertet werden können.

3. Qualifizierung nach ENIQ

Das European Network of Inspection and Qualification (ENIQ) ist ein Zusammenschluss europäischer Kraftwerksbetreiber zur Erarbeitung von Methoden für die Qualifizierung von zerstörungsfreien Prüfverfahren. Ziel von ENIQ ist die Spezifizierung und Harmonisierung von Anforderungen an die Qualifizierung zerstörungsfreier wiederkehrender Prüfungen in kerntechnischen Anlagen. Zu Inhalt und Vorgehensweise bei der Qualifizierung nach ENIQ wird ausführlich im Vortrag 78 dieses Berichtbandes berichtet.

Zur Einführung von ENIQ in Deutschland wird im Rahmen einer Pilotstudie die Handhabung der erarbeiteten Methoden zur Qualifizierung zerstörungsfreier Prüfverfahren erprobt. Als Pilotanlage wird dabei die Prüfeinrichtung zur mechanisierten Durchstrahlungsprüfung "TomoCAR" genommen. Nach ersten Qualifizierungsmessungen konnte nachgewiesen werden, dass die aus den Querschnittsbildern ermittelten Fehlergrößen (Art, Lage und Tiefe) innerhalb des zu erreichenden Messunsicherheitsbereiches von ±1 mm liegen.

4. Schlussfolgerung

Die entwickelte Gerätetechnik für die mechanisierte Schweißnahtprüfung auf Basis der tomografischen computer-gestützten Radiologie "TomoCAR" ist ein alternatives Prüfverfahren zur klassischen, manuellen Filmradiografie für vor Ort-Prüfungen. Es liefert quantitative "radiografische" Daten, die mit Ergebnissen der Computertomografie vergleichbar sind.

Die Planartomografie als ein Analyseverfahren ist ein schnelles und geeignetes Verfahren für die Rekonstruktion von Querschnitten der Rohrwand und inneren Inhomogenitäten (Fehlern). Die Extraktion von Informationen über die Position, Verlauf und Tiefe der Anzeigen trägt zu einer zuverlässigen und quantitativen Charakterisierung von flächigen Anzeigen (z.B. Risse, Bindefehlern, Kerben) bei.

Die quantitative Analyse von flächigen Defekten wurde durch die Kombination verschiedener Rekonstruktionsmethoden verbessert. Deshalb wurde ein Algorithmus auf Basis der gefilterten Rückprojektionstechnik in Kombination mit einem neuen iterativen Algorithmus für die Oberflächenrekonstruktion entwickelt.

5. Literatur

  1. B. Redmer u.a.: "Miniatur-Röntgenröhre für die mobile Rohrprüfung"; DGZfPJahrestagung 2002, Weimar, 6.-8. Mai 2002, BB 80-CD, V 02
  2. U. Zscherpel u.a.: "Unsharpness Characteristics of digital detectors for industrial radiographic imaging", DGZfP-Symposium on Computed Tomography and Image Processing for Industrial Radiology, Berlin, 2003, BB84-CD, V 22, S.175 - 186
  3. Technical description of DIC100T, DIC50T and DIC25T; Ajat Oy Ltd., Finland (www.ajat.fi)
  4. J. Rheinländer u.a.: "Fast On-line Radioscopic Process- and Quality Control based on a Novel CdTe CMOS Detector"; DGZfP-Symposium on Computed Tomography and Image Processing for Industrial Radiology, Berlin, 2003, BB84-CD, V 21, S.173 - 184
  5. U. Ewert u.a.: "Digital Laminography", Materialforschung 37 (1995), S.218-222
  6. B. Redmer u.a: "Automated radiometric weld inspection in nuclear power industry by tomosynthesis"; 2nd. International Conference on Computer Methods and Inverse Problems in Nondestructive Testing and Diagnostics, Minsk, Belorussia, 1998, BB64, S.441-448

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net