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Imagingsystem für Frachtinspektionssysteme

14.12.2012

ACCIS ist ein vom BMBF unterstütztes binationales Verbundforschungsprojekt zur Untersuchung eines auf Neutronen- und Gammastrahlung basierten Durchleuchtungssystems für mittelgroße Frachteinheiten (z.B. Luftfrachtcontainer). Insgesamt sind 7 deutsche, 3 israelische und ein südafrikanischer Partner aus Forschung, Industrie und Polizei beteiligt. Neben der Koordination der deutschen Partner ist der Schwerpunkt des PTB Beitrags die Entwicklung der Imagingsysteme und der Bereitstellung der Testinfrastruktur. Weiterhin beteiligt sich die PTB an den Arbeiten zur Erzeugung von intensiven gepulsten Neutronen- und Gammastrahlen sowie begleitender Forschung zur Abschätzung der Einsetzbarkeit und Marktfähigkeit eines solchen Systems im öffentlichen Bereich.

Im Berichtszeitraum, in dem der "Milestone" Report fällig war, wurden dazu folgende Teilprojekte abgeschlossen bzw. wichtige Zwischenergebnisse erzielt.

Wesentliches "Milestone" Ziel war der Aufbau und die Charakterisierung zweier unterschiedlicher Detektionsysteme für simultane Neutronen- und Gammaradiografie. Diese beiden auf unterschiedlichen optischen Techniken basierenden Systeme, die unter den Acronymen TRECOR und TRIOR firmieren, sind weitgehend fertiggestellt. Wegen Lieferverzögerungen einer Komponente für TRIOR wurde in Absprache mit dem Auftraggeber die weitere Arbeit auf das zweite System, TRECOR, konzentriert. TRECOR basiert auf Szintillationsschirmen zur Strahlungskonversion und einem speziellen elektrooptischen Auslesesystem, das gemeinsam mit einem der Projektpartner in der Arbeitsgruppe entwickelt wurde. Es ist in der Lage, schnelle Neutronen und Gammaquanten ortsempfindlich bei hoher Rate (derzeit bis ca. 1 MHz) nachzuweisen, über die Flugzeit die Neutronenenergie mit hoher Auflösung zu messen sowie die Gammaenergie über die im Leuchtschirm nachgewiesene Lichtmenge grob zu bestimmen. Eine schematische Skizze und Detailphotos des TRECOR Imagingsystems sind in Abb. 1 gezeigt.

Abb. 1 : Schematische Zeichnung des Aufbaus des TRECOR Imagingsystems (oben) sowie Detailphotos des aufgebauten Moduls (unten).

  1. TRECOR wurde im Juni in einem Demonstrationsexperiment eingesetzt. Die durch die Aufgabe von TRIOR freiwerdenden Mittel wurden auf das unter 3) erläuterte Aufgabengebiet verlagert.

  2. In der Ionenbeschleunigeranlage, an der die erforderlichen gepulsten Neutronenfelder erzeugt werden, wurde die Infrastruktur geschaffen, mit der Experimente zur Evaluation der Methode durchgeführt werden sollen. Dazu wurde neben der Erleichterung des Zugangs mit großen und schweren Objekten ein "Cargoscanner" für kleinere Objekte bis ca. 90 kg aufgebaut und in des Kontroll- und Datenaufnahmesystem integriert.

  3. Für die Entwicklung einer hochintensiven, gepulsten Neutronen/Gammastrahlungsquelle wurde gemeinsam mit dem Partner RI Research Instrument eine Doktorandenstelle geschaffen. In Zusammenarbeit mit der Beschleunigergruppe des Helmholzzentrums Berlin soll dabei eine Ionenquelle und eine gepulste Injektion in einen RFQ Beschleuniger aufgebaut und ggf. an dem existierenden Hochstrom-Linearbeschleuniger beim südafrikanischen Partner NECSA eingebaut werden. Dazu wurde mittels Strahltransportrechnungen mit CST und PAMELA ein Konzept entworfen und optimiert. Abb. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Konzeptes welches derzeit weiter numerisch optimiert, konstruiert und dann an der PTB aufgebaut werden soll.

  4. Sehr hilfreich für die Realisierung des Konzeptes ist dabei die Übernahme der Komponenten des beendeten "Ionenakkumulator" Experiments der Abt. 1 im Spätsommer 2012. Dieses wird derzeit entsprechende der neuen Anwendung modifiziert und wieder aufgebaut.

    Für die Strahlerzeugung werden neben dem Hochstrom-Ionenbeschleuniger hochstromfeste Targets aus 10B benötigt. Dazu wurde ein Targetscansystem aufgebaut, das die hohe thermische Last im Brennpunkt des Ionenstrahls auf eine große gekühlte Fläche verteilt. Eine erste Testrunde im Frühjahr 2012 führte trotzdem zur Zerstörung der Targets aufgrund "thermischen Schocks" der spröden und schlecht wärmeleitenden Bor-Sinterschicht. Eine zweite Serie aus B4C Schichten, die mit dem Plasmasprayverfahren auf eine Molybdän Trägerschicht abgeschieden wurde und bereits hohe mechanische und thermische Verschleißfestigkeit in Fusionsplasmaexperimenten zeigte, ist beschafft und wird im Herbst 2012 getestet.

  5. In einem weiteren Arbeitspaket wird das System mithilfe des Programmpakets GEANT simuliert und Algorithmen zur Datenanalyse und Elementrekonstruktion in der Probe entwickelt. Ein vollständiges GEANT Modell einer Durchleuchtungsanlage mit einem LD3 Luftfrachtcontainer ist erstellt und durchgerechnet. Mittels der simulierten und den bislang gemessenen Daten werden Algorithmen zur Rekonstruktion der räumlichen Elementverteilung in dem Probecontainer entwickelt. Während die Rekonstruktion der Elementverteilung in bekannten Proben bei den mit GEANT simulierten und der mit dem TRIOR System gemessenen Daten erfolgreich war; konnte mit den vom fortgeschritteneren TRECOR System erzeugten Messdaten noch nicht die Elementverteilung der Proben reproduziert werden. Die Gründe dafür werden derzeit untersucht.

Abb. 2 : Schematische Darstellung des Niederenergie-, Ionentransport- und Pulsungssystems für den RFQ Linearbeschleuniger.

Insgesamt ist das Gesamtprojekt ebenso wie das PTB Teilprojekt (abgesehen von der Aufgabe des TRIOR Konzepts) im Plan. Für die kommenden Monate (derzeitiges Projektende Juli 2013) sind die Arbeitsschwerpunkte die Aufklärung der ungenügenden Daten für die Elementrekonstruktion bei TRECOR, danach weitere Evaluation der Versuchsanlage an der PTB sowie Aufbau und Optimierung der gepulsten Ioneninjektion für den RFQ Linearbeschleuniger.