Röntgen-Rückstreutechnik - Stand und Tendenzen kufa.pdf · Röntgen-Rückstreutechnik – Stand und Tendenzen Wilhelm NIEMANN, Joseph KOSANETZKY, Kurt OSTERLOH, Norma WROBEL,

Röntgen-Rückstreutechnik – Stand und Tendenzen

Wilhelm NIEMANN*, Joseph KOSANETZKY*, Kurt OSTERLOH**, Norma WROBEL**, Uwe EWERT**

* Yxlon International GmbH (Essener Bogen 15, D-22419 Hamburg) ** Bundesanstalt für Materialprüfung (Unter den Eichen 87, D-12205 Berlin)

Kurzfassung. Die Röntgenrückstreutechnik, welche durch die Geräte der Baureihe ComScan bekannt geworden ist, erfährt nach einigen Jahren der Stagnation eine gewisse Renaissance. Diese wurde ausgelöst z. B. durch neue Abbildungsverfahren, wie die Abbildung unter Verwendung von Lochblendenarrays oder von geschlitzten Lochkameras, mit deren Hilfe Spotaufnahmen mit Strahlungsquellen beliebiger Energie ermöglicht werden. Es wird auch auf die Möglichkeit hingewiesen, mit geschickten Anordnungen von Detektoren auf hohe Informationstiefen bei Prüfkörpern mit geringen Dichten zu kommen. Beispielhaft sei erwähnt, dass bei der Prüfung der Isolierung von Space Shuttles eine Tiefe von ca. 30 cm mit nur 160 kV erreichbar ist. Neuartige Strahlungsquellen bis zu 600 oder 800 kV werden dazu führen, dass auch die bisher erreichte Informationstiefe bei dichteren Materialien übertroffen werden kann. In Erprobung sind auch sehr ungewöhnliche Ansätze wie z.B. das Shaded Apertur Verfahren, bei dem der Primärstrahl durch Spalte in einem Array von Bleikacheln durch den Detektor hindurch strahlt; die Streustrahlung auf der Rückseite des Detektors führt zur bildhaften Darstellung. Weiterhin werden auch alternative Techniken zur tomographischen Abbildung erprobt, wie z. B. eine Kombination aus translatorisch geführtem Fächerstrahl mit Drehung des Prüfobjektes. Die Anwendung der Röntgenrückstreutechnik zur Suche nach Objekten am Menschen wird in einigen Ländern praktiziert, ist in Deutschland aber gemäß RöV nicht zulässig. Bei kommerziellen Röntgen-Rückstreugeräten im Bereich Security gibt es inzwischen die Möglichkeit, zusätzlich zur Abbildung mit Streustrahlung auch die Signaturen von Dirty Bombs mit zu verwenden, so dass deren Nachweis oder Identifikation möglich ist.

15. Seminar

Aktuelle Fragen der Durchstrahlungsprüfung und des Strahlenschutzes - Vortrag 01

Lizenz: http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/de

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RRT Stand und Tendenzen

Wilhelm Niemann*, Joseph Kosanetzky*

Kurt Osterloh**, Norma Wrobel**, Uwe Ewert**

* Yxlon International GmbH, Hamburg** Bundesanstalt für Materialprüfung, Berlin


Hinweise:• Wir zeigen einen Überblick über weltweite Aktivitäten• Strahlenquellen im weit. Sinne: Röntgenröhren, Linacs, Isotope• Wir reden hier nicht über die „THz-Nacktscanner“• Wir erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit

Es gibt viele Abkürzungen für die Rückstreu-Technologie :RRT Röntgen Rückstreu Technik XBT X-ray Backscatter TechnologyCSI Compton Scatter ImagingSXI Scatter X-ray Imaging

Spezialtechniquen : LMR, RSD, SABR, CSD-SXI, CIBR, ZBV .....

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Der einfachste Fall : Punktmessung Anwendung: z.B. Dichte-Bestimmung im Straßenbau

Cs137 662 keV

Signal = f(Dichte)

Homogenes Objekt, z.B. Teerdecke oder Spanplatte

Fa. TroxlerAlternative: Dichtebestimmung mit Röntgenröhre (z.B. Zhu et al., 1996)Anwendung: Qualitätskontrolle von Spanplatten

Der einfachste Fall

Fa. Troxler


Flächige Bestrahlung und Flächendetektor (ohne weitere Maßnahmen)

Cs137 662 keV

Signal = f(Dichte)

Quelle Strukturloses Bild

Strukturiertes Objekt

Strukturiertes Bild

Jeder Detektor-pixel erhält die gleiche Information !

x

Homogenes Objekt

Der unlösbare Fall

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Lochkamera Verfahren Osterloh, Wrobel, Ewert (BAM)

Loch-kamera

Vorteil: Flexible Position der RöntgenquelleNachteil: Die Lochkamera funktioniert nur bei niedrigen Energien.

Schnappschuss RRT

Quelle Strukturiertes Bild


Röntgen-Rückstreubilder können mit sehr unterschiedlichen Techniken und Qualitäten aufgenommen werden. Einflussfaktoren sind z.B. Aufnahmezeit,Auflösung, Informationstiefe, Art der Röntgenquelle, Scanverfahren.

Handy Verdachtsmomente

Mit RRT (Röntgen-Rückstreutechnik) gewonnene Bilder :

Korrodiertes Flugzeugteil

RRT Beispiele

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Einseitiger Zugangzum Prüfobjektist ausreichend

Vorteile der Röntgenrückstreutechnik

Sensibilität auf Dichte-unterschiede

3D-Messung und Darstellung möglich„Mineburger“

Mögliche Nachteile von RRT: Prüfgeschwindigkeit, Informationstiefe, Preis und Komplexität der Technik

RRT Vorteile


Detektor Signal wird durch Compton Streuung vom bestrahlten Voxel erzeugt (+Untergrund)

Absorption und Mehrfachstreuung begrenzen den Tiefenbereich

1000100101

DetektorStrahlenquelle Monitor

Zur Informationstiefe bei der Röntgenrückstreutechnik

Die Informationstiefe liegt, je nach Prüfobjekt, Mess- und Scan-Verfahren und Röhrenspannung im Bereich von wenigen mm bis einige dm.

1000 100 10 1??

Relatives Signal:

Informationstiefe

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Der Compton-Effekt und die natürliche Begrenzung der Endenergie

E-Shift due to Compton Scatter

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1.000

100 1.000 10.000

Photon energy / keV

Scat

ter

ener

gy (k

ev)

6090120150180

Die geringe Energie der Rückstreu-photonen limitiert die mögliche Informationstiefe.

Oberflächennahe Bildgebung ist die bevorzugte Technik.

Rückstreu-Energie


Umgang mit der Streustrahlung : wie kommt man zur Lösung ??

DetektorPixelgröße?E-Auflösung ?

Strahlablenksystem ??Kollimation ?

Strahlenquelle

RRT Grundfragen

Haubendurchlaßstrahlung

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RRT Stand und TendenzenDetector

Detector

Turned Slit

Detector

Object Object Object

ObjectRRT Basis-Techniken

DetectorDetector Detector

Flying spotMulti columnPin hole

RRT Stand und Tendenzen 2D Sollerspalt

∅=0.8 mm

Fa. InnospeXion / BAM

Originalbild 220 kV

Gefiltert

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max. count rate 17.000 cps, (120 x 0,2 mm Steps)² a 0,1 s Measurement time 14400 x 0,1 s ~ 24 min

circ

uit b

oard

back

side

Source: M. Hentschel, A. Lange (BAM)

Single Count Mode

circ

uit b

oard

pencil beam diameter : 0.3 mm18 keV MoK-α radiationx-

ray

tube

NaI - scintillation

detector

Flying spot


Möglichkeiten der Bildgebung : Flying Spot

Vertikal abtastender Nadelstrahl;Ablenkung durch rotierende Scheibe Translation des Prüfobjektes;Anlagen z.B. mit 450 kV oder 225 kV;Flächiger Detektor1 Scan ≅ wenige % der natürlichen Strahlendosis

der Normalbevölkerung p.a.

Fa. AS&E

Prüfobjekt inBewegung

Security Applikationen

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Möglichkeiten der Bildgebung : 2D / mit Portalroboter

Vertikal abtastender Nadelstrahl; Translation und Höheneinstellung durch RoboterAblenkung durch rotierende Scheibe Anlagen 160 oder 225 kV; Prüfobjekt stationär

Flächiger Detektor

Fa. Nucsafe

Security Applikationen


Universität Florida

Anwendung : z.B. Landminen-Detektion

RSD: Radioscopy by Selective Detection

Röntgenröhren 100 / 160 / 225 kV

Abtastender Nadelstrahl; Scan durch Verfahren des Scannerkopfes

Mehrere einzelne Detektoren mit verstellbaren Blenden;auf verschiedene Tiefen und ggf. auf verschiedene E-Bereiche einstellbar

NDT Applikationen

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RSD Technik : 2D / quasi-3D

Anwendung: * Space Shuttle

(Isolierung des Tanks); Polyurethanschaum mitgeringer Dichte 0,03 g/cm³dmax = ca. 30cm

Prüfobjekt stationär

NDT Applikationen

Fa. Lockheed Martin


Flächendetektor im direkten Strahlengang

Quelle Strukturloses Bild

Strukturiertes Objekt

Strukturiertes Bild

Kann hier ein sinnvolles Röntgenbild entstehen ?

Transmissionsbildokay wenn Prüfobjekt genügend durchlässig

?

x

Der unvorstellbare Fall

Bei blendenfreier Abbildung

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Universität Florida; D.Shedlock 2007; O.Bougeant 2009

SABR: Snapshot Aperture Backscatter Radioscopy

Prüfobjekt stationär

Detektor: Speicherfolie mit Abdeckung durch Pb-Plättchen; dazwischen offene wohl-definierte Spalte



Der unvorstellbare Fallkann funktionieren !


Die Speicherfolie muss sehr engam Prüfobjekt anliegen;

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Koffer mit Verdachtsmomenten

Diskussionspunkte: * RRT liefert Info über die Dichte,

aber nicht (bzw. nicht präzise)über die chem. Zusammensetzungdes Prüfteils.

* Eigenstrahlung (Radioaktivität) ?

Security Problem:Welche der Objekte im Koffer sind wirklich gefährlich ?

Fa. AS&E

Dirty Bomb Detection


Möglichkeit: Nachweis radioaktiver Strahlung als Option

RTD = Radioactive Threat Detection (z.B. sogenannte dirty bombs)

Erkennung: im Normalscan über Fluoreszenz-Linien und/oder Neutronenoder bei abgeschalteter Strahlenquelle

Integration beim 225 kV ZBV oder 450kV Rückstreu-System möglich

Fa. AS&E

ZBV Ausführungsform

Dirty Bomb Detection

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Personen-Screening mit RRT Fa. Rapiscan

Deutschland: Gemäß RöV ist die Anwendung der Röntgenstrahlung zur Durchsuchung am Körper verboten. Außerdem: Privacy Problem.

Personen Screening

ausgeblendet


C.Meng 2008

Neues Verfahren zur 3D Bildgebung mit XBT

Scan mit Fächer-Röntgenstrahl

Illustration des CIBR Verfahrens mit Fanbeam-Röhre;hier in 45 Grad Winkelschritten

3D Bildgebung CIBR

0 Grad 45 Grad 90 Grad

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(C.Meng 2008)

CIBR Computed Image Backscatter Radiography

Bildrekonstruktion auf Basis einer normalisierten gefilterte Rückprojektion (Münze auf Nylon).Das Bild zeigt Artefakte (Anzahl Projektionen ??).

3D Bildgebung CIBR


Echtes 3D-Verfahren :

ComScan160

(Kosanetzky et al. 1987)

Mit 22 Detektorkanälen werden 22 Schichtbilder gleichzeitig erfasst.

3D Bildgebung 160 kV

Strahlablenkung mit rotierenden geschlitzten WalzenFa. YXLON

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PC, Monitor, Electronik,HV Generator

DieselGenerator400V

Einstellbare freie HöheScanfläche ca. 2 m²

450 kV RöntgenröhreMehrkanal Detektor

RRT bei 450 kV: Mobiler Scanner zur Erkennung vergrabener Minen


Fa. YXLON


Minen-Detektion mit C450 (Niemann et al. 1998; 2001; 2002)

Panzermine TM62 vergraben im Humusboden

Identifikation von vergrabenen Minen mit RRT bis ca. 15-20 cm Tiefe

Die Ergebnisse von ComScan 450 sind seit 10 Jahren unübertroffen !

Tiefe 10 cm Sprengstoff

Tiefe 6 cmZündbereich


Fa. YXLON

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Zukünftige Möglichkeiten:

Quantitative Aussagen zur chem. Zusammensetzung erhalten

# Compton-Streuung ist nicht streng monochromatisch, sondern es gibt eine Linienverbreiterung durch die Elektronen imStreuobjekt; das Streuprofil ist Z-spezifisch und durch einfache Fit-Funktionen (Kombination von Gaußkurven) darstellbar.

# Monochromat. Quellen: Isotope, Synchrotronsoder die Fluoreszenzlinien des Röntgenspektrums

# Hochauflösende Detektoren (z.B. CdTe) können die Profile darstellen.

# Bei Substanzen, die Beiträge verschiedener Ordnungszahlen enthalten,können nach dem Superpositionsprinzip die relativen Anteile ermitteltwerden (Harding, Olesinski 2011).

Element Zusammensetzung


Quantitative Aussagen zur chem. Zusammensetzung

Compton-Profil für Wasserstoffist Summe von Gausskurven

150 Grad Streuung der W Kα-Linienfür Ethanol: Theorie vs Experiment(gezeigt wird die 2.Ableitung)

Element Zusammensetzung

Fa. Safran

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Zukünftige 3D Möglichkeiten: Hochenergetische Strahlenquellen

Tiefenaufgelöste RRT z. B. mit 600 / 800 kV

Möglicher Tiefengewinn ????Die Ergebnisse z.B. von ComSCan450 wären zu toppen ...

Wie könnte es erreichbar werden ??# Optimierung der Streugeometrie# Unterdrückung der MS durchE-Diskriminierungbzw. Differenzverfahren

# Verstärkter Einsatz von Signal-und Bildverarbeitung

# Verbesserung 3D Rekonstruktion

RRT mit höheren Energien

z.B. Comet MXR-600


Hochenergie Schnappschuss RRT


Innovation: Schlitzkamera mit geschwungener Spaltgeometrie (twisted slit collimator)

Twisted Slit Verfahren Osterloh, Wrobel, Ewert (BAM)

!!!

Zukünftige Möglichkeiten:

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Hochenergie Schnappschuss RRT


Patente DE 10 2005 029 674 und DE 10 2007 057 261

Die Twisted Slit Kamera in einer dicken Blende


Flugzeugteilverborgener Ast

Praktische Beispiele mit der Twisted Slit Kamera bei 300 kV


Potential / Vorteile dieser Technik: # einsetzbar für sehr hohe Energien# keine feste Geometrie für die Röhrenposition erforderlich# auch zum ortsaufgelösten Nachweis von Gammastrahlung geeignet

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Die Röntgenrückstreutechnik ist eine anspruchsvolle Technik, die inzwischen in einer Vielfalt von Variationen umgesetzt wird.

Es dominieren die Verfahren, die sehr oberflächennah und möglichst schnell abbilden; echte 3D-Verfahren liefern die qualitativ hochwertigste Information, sind aber zahlenmäßig in der Minderheit.

Besonders erwähnenswert :

# Die Vielfalt mobiler Prüfsysteme (im Lastwagen oder am Roboter)

# Die optionale Detektion von Dirty Bombs im RRT Scanner

In Evaluierung z. B. : SABR (Abbildung mit schachbrettartigen Blenden)Compton Profil-Analyse zur Materialidentifikation3D Techniken mit Fanbeam Schnappschuß-Technik für hohe Energien

Zusammenfassung

RRT Stand und Tendenzen Das war´s ....

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