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Stroboskopie mit thermischen Neutronen

31.01.2011

Radiografie und Tomografie mit thermischen Neutronen sind erprobte Techniken bei der Untersuchung von Verteilungen wasserstoffhaltiger Stoffe in unterschiedlichen Objekten aus schwereren Elementen. Wegen des geringen Kontrasts von Wasserstoff ist dieser mit normaler Röntgenuntersuchung nicht sichtbar. Einen Überblick über die Technik, die verwendeten Detektoren und die Anwendungen der Radiografie mit thermischen Neutronen findet man in [1,2].

In der PTB wurde eine Kamera für Radiografie mit schnellen Neutronen und Gammastrahlung entwickelt, die eine Bildersequenz von bis zu 9 Bildern aufnehmen kann. Die Kamera ermöglicht eine individuelle Belichtungssteuerung für 8 dieser 9 Bilder in einem Zeitbereich von einigen Sekunden bis hinunter zu 5 ns. Für die Aufnahme periodischer Prozesse kann auch jedes dieser 8 unabhängigen Bilder phasensynchron zur Bewegung wiederholt getriggert werden. Diese phasensynchronen Bilder werden dann auf einer einzigen CCD Kamera aufsummiert, die am Ende des über viele Perioden andauernden, Belichtungszyklus ausgelesen wird. Damit kann auch bei extrem kurzen Einzelbelichtungen und/oder schwachem Neutronenfluss ein geringes Bildrauschen erzielt werden.

Insbesondere wegen der Inbetriebnahme gepulster und sehr leistungsfähiger Spallationsquellen in den vergangenen Jahren werden in der thermischen Neutronenradiografie zeitaufgelöste Untersuchungen immer wichtiger. Methoden wie "Braggkantenimaging" können nun angewandt werden, um Elementverteilungen in zusammengesetzten Stoffen schnell und effizient zu messen. Aber auch mit ungepulsten Neutronenstrahlen, zum Beispiel an Forschungsreaktoren, kann mit dem beschriebenen radiografischen Detektor mittels stroboskopischen Abbildungstechniken die Dynamik schneller Prozesse visualisiert werden. Damit werden neue und herausfordernde Anwendungen erschlossen.

Ursprünglich wurde das PTB Neutronenimagingsystem für schnelle Neutronen (im MeV-Bereich) entwickelt. Für die hier beschriebene Anwendung mit langsamen oder thermischen Neutronen wurde der Detektor modifiziert, im Wesentlichen durch Ersatz des Neutronenkonverterschirms durch einen solchen, der für langsame Neutronen geeignet ist. Mit dem neuen Konverter sind stroboskopische Aufnahmen mit Zeitauflösungen bis hinunter zu einer Mikrosekunde möglich.

Ende 2009 wurde damit ein Experiment an dem Radiografiemessplatz "ANTARES" am Forschungsreaktor der Technischen Universität München. Abb. 1 zeigt als Beispiel das Neutronenbild einer Computerfestplatte. Hier sind alle 9 Bilder gleichzeitig belichtet worden. Abb. 2 zeigt die CTF (Kontrast Transfer Funktion) des Radiografiedetektors im Antares Neutronenstrahl.

Abbildung 1 : Neutronenbild einer PC Festplatte

Abbildung 2 : CTF des Imagingsystems

In einem zweiten Experiment haben wir die Eignung für die Stroboskopie dynamischer Prozesse untersucht. Dabei wurde ein rotierender PC Lüfter, von dem ein phasensynchrones Triggersignal zur Belichtungssteuerung der Kamera abgeleitet wurde, bei verschiedenen Phasenlagen "fotografiert" und das Bild in der CCD Camera über viele Rotationsperioden phasensynchron akkumuliert. Eine Sequenz über eine halbe Umdrehung ist in Abb. 3 als Beispiel dargestellt. Ein kleines Cd-Blech wurde dabei auf eines der Lüfterblätter geklebt – dieses erkennt man als schwarzen Punkt markiert mit einem roten Kreis In diesen Bildern wurden jeweils etwa 600 Belichtungszyklen akkumuliert. Das Belichtungsfenster in jeder Periode betrug hier 25 µs. In anderen Messungen wurde diese Zeit von 1 µs - 500 µs variiert - wobei bei längeren Belichtungszeiten zunehmend Bewegungsunschärfe auftritt während kurze Belichtungszeiten pro Periode Integration über mehr Perioden und damit längere Akkumulationszeiten erfordern.

Basierend auf diesen viel versprechenden ersten Ergebnissen wurde vorgeschlagen, diese Durchleuchtungstechnik für die Untersuchung der Dynamik von wasserstoffhaltigen Flüssigkeiten und Gasen (Brennstoff und Öl) in Verbrennungsmotoren einzusetzen. Damit soll z.B. die Treibstoffeinspritzung in den Zylinder oder die Dynamik der Ölverteilung an der Unterseite des Kolbens untersucht werden.

Der Vorschlag wurde vom Experimentausschuss des FRM2 angenommen und mit einer Strahlzeit von 5 Tagen bedacht. Eine erste Messung fand Anfang September statt. Die Messungen werden derzeit ausgewertet.

Abbildung 3 : Stroboskopie eines PC Lüfters am ANTARES Messplatz. Der kleine schwarze Fleck innerhalb der roten Markierung ist ein kleines Cd-Blech, das auf eines der Lüfterblätter geklebt wurde.

Literatur

  1. E. Lehmann et al.:
    Neutron Imaging at the spallation source SINQ,
    Paul-Scherrer Institut, Villigen/CH, Jul2006, neutra.web.psi.ch/publication/Neutron_Imaging_e_Nutzer.pdf
  2. E. H. Lehmann and V. Dangendorf:
    Neutronen-Imaging - Eine Alternative zum normalen Röntgen,
    Bulletin der electrosuisse SEV/AES 11/2006, p. 9 http://www.electrosuisse.ch/cms.cfm/s_page/63880
  3. I. Mor et al.:
    High spatial resolution fast-neutron imaging detectors for Pulsed Fast-Neutron Transmission Spectroscopy,
    Journal of Instrumentation (2009) JINST 4 P05016
  4. V. Dangendorf et al.:
    Multi-Frame Energy-Selective Imaging System for Fast-Neutron Radiography,
    IEEE TNS 56 (2009) 1135