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Development of a position-sensitive detector for inspection procedures with rapid neutrons

Categories:
  • Fundamentals of Metrology
18.03.2004

Zerstörungsfreie Inspektionsverfahren mit schnellen Neutronen stellen eine vielversprechende Alternative zu bekannten Röntgenverfahren dar, insbesondere wenn es um die Verteilung oder das Auffindung von Elementen mit niedriger Kernladung (H,C,N,O) in großen Objekten wie Koffern, Cargocontainern, Metallbehältern oder Gesteinen geht. Neue Techniken der Neutronenerzeugung, wie Laser- und Plasmaionenquellen, aber auch Kompaktbeschleuniger wie RFQ (Radio Frequency Quadrupole) und supraleitende Zyklotrone, lassen in der Zukunft auch einen mobilen Einsatz dieser Technik erwarten. Dazu sind allerdings effiziente ortsempfindliche Detektoren erforderlich, die idealerweise auch über spektrometrische Fähigkeiten verfügen. Dieser Beitrag befasst sich mit einer der beiden in der PTB entwickelten Verfahren für energieselektives Neutronenimaging.

Ausführliche Artikel zur Methode und den untersuchten Imagingverfahren sind in [1 - 3] zu finden. Bei dem hier behandelten Verfahren werden Neutronen in einer Konverterfolie an Wasserstoff gestreut und erzeugen energiereiche Protonen. Diese können aus dem Konverter in das umgebende Gas eindringen und dieses ionisieren. Die entstehenden Elektronen werden in einem 3-stufigen Gas-Elektronen-Vervielfacher (GEM) zu einem elektronisch nachweisbaren Signal verstärkt und zeit- und ortsempfindlich nachgewiesen. Abbildung1 zeigt das Funktionsschema dieses Detektors. Zur Zeit wird ein Prototypmodul mit einer sensitiven Fläche von 10 x 10 cm2 untersucht. Ein einsatzfähiger Detektor würde ca. 25 solcher Module benötigen um eine für schnelle Neutronenradiografie akzeptable Nachweiswahrscheinlichkeit von ca. 5 % zu erreichen.

Abbildung 1:Aufbau und Prinzip des Neutronendetektors

Mit dem Prototypmodul wurden Messungen an einem gepulsten Neutronenstrahl mit breiter spektraler Verteilung durchgeführt. Dabei sollten die Abbildungseigenschaften des Geräts untersucht werden und am Beispiel des Kohlenstoffs getestet werden, inwiefern durch Nutzung von Energieresonanzen im Neutronenwirkungsquerschnitt sogenanntes elementspezifisches Imaging möglich ist (mehr dazu in den Referenzen 1 - 3).

Die Abbildung 2 zeigt Aufbau und Ergebnisse des Durchstrahlungsexperiments eines Objekts aus Grafitstäben und einem Schraubenschlüssel aus Stahl. Abbildung 2.a zeigt den Detektor und das Kohlenstoffobjekt im Neutronenstrahl. Abbildung 2.b zeigt das Gesamtobjekt mit Grafitstäben und Schraubenschlüssel. Abbildung 2.c zeigt das Neutronenbild des Objektes. Deutlich sind die Kohlenstoffzylinder und der Schlüssel zu erkennen. Abbildung 2.d. zeigt das Ergebnis nach Durchführung der Resonanzanalysemethode. Es wird erwartet, dass dabei nur die Kohlenstoffstruktur weiterhin sichtbar bleibt - der Anteil des Stahls und der Probenhalterung sollte verschwinden. Dieses Ziel wurde zwar erreicht, allerdings auf Kosten des Kontrastes. Auch kleinere Kohlenstoffobjekte sind nicht mehr erkennbar. Dieser Verlust resultiert einerseits aus der großen statistischen Unsicherheit in der Zählstatistik jedes einzelnen Bildpixels nach Durchführung der Resonanzanalyse, andererseits aus der derzeit noch unbefriedigenden Zeitauflösung des Detektors, die sich in einer teilweisen Überlappung der energieselektierten Resonanzbilder niederschlägt und dadurch Kontraste im Differenzbild verwischt.

Abbildung 2: Neutronenradiografie einer Probe aus Kohlenstoffstäben und einem Stahlschraubenschlüssel. a) Detektor und Kohlenstoffprobe im Neutronenstrahl, b) Probe, bestehend aus Kohlenstoff und Stahlschlüssel, c) and d) zeigen Neutronenbilder (siehe Text)

Literatur

  1. V. Dangendorf et al:
    Fast Neutron Resonance Radiography in a Pulsed Neutron Beam,
    submitted for publication in IEEE Trans. of Nucl. Science, (see arxiv.org/abs/nucl-ex/0301001)
  2. V. Dangendorf et al:
    Detectors for Energy-Resolved Fast Neutron Imaging,
    submitted for publication in Nucl. Instr. and Meth. (2004), (see arxiv.org/abs/nucl-ex/0403051)
  3. V. Dangendorf et al:
    Detectors for Time-of-Flight Fast-Neutron Radiography, 1. Neutron Counting Gas Detector,
    submitted for publication in Nucl. Instr. and Meth. (2004), (see arxiv.org/abs/nucl-ex/0408074)

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