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Ray tracing boundary value problems: simulation and SAFT reconstruction for ultrasonic testing
(2016)
The application of advanced imaging techniques for the ultrasonic inspection of inhomogeneous anisotropic materials like austenitic and dissimilar welds requires information about acoustic wave Propagation through the material, in particular travel times between two Points in the material. Forward ray tracing is a popular approach to determine traveling paths and arrival times but is ill suited for inverse problems since a large number of rays have to be computed in order to arrive at prescribed end points.
In this contribution we discuss boundary value problems for acoustic rays, where the ray path between two given points is determined by solving the Eikonal equation. The implementation of such a two Point boundary value ray tracer for sound field simulations through an austenitic weld is described and its efficiency as well as the obtained results are compared to those of a forward ray tracer. The results are validated by comparison with experimental results and commercially available UT simulation tools.
As an application, we discuss an implementation of the method for SAFT (Synthetic Aperture Focusing Technique) reconstruction. The ray tracer calculates the required travel time through the anisotropic columnar grain structure of the austenitic weld. There, the formulation of ray tracing as a boundary value Problem allows a straightforward derivation of the ray path from a given transducer Position to any pixel in the reconstruction area and reduces the computational cost considerably.
X-ray backscatter imaging is a well established NDT technique to inspect complex objects using only a single-sided access. In difference to conventional transmission X-ray radiography, the X-ray backscatter imaging utilizes the scattered radiation caused by the Compton scattering effect. In order to achieve high backscatter intensities from a test object, it is necessary to optimize the backscatter system parameters namely the angle between source and slit camera, the slit collimator system, the shielding between source and scatter camera, and the type of detector. In addition, the scatter phenomena in to the investigated object need to be understood.
In this contribution, we present a Monte Carlo model McRay which considers all relevant single and multiple interactions of photons and electrons. This model can be used to simulate back scatter techniques. It allows not only calculating the scatter image for a given experimental setup but also registering the spectrum of the detected scattered photons. Both aspects are important to understand the imaging process, to interpret the results, and to optimize the backscatter camera investigated here. Additionally experimental results will be presented and compared with simulations.
Austenitic welds and dissimilar welds are extensively used in primary circuit pipes and pressure vessels in nuclear power plants, chemical industries and fossil fuelled power plants because of their high fracture toughness, resistance to corrosion and creep at elevated temperatures. However, cracks may initiate in these weld materials during fabrication process or stress operations in service. Thus, it is very important to evaluate the structural integrity of these materials using highly reliable non- destructive testing (NDT) methods. Ultrasonic non-destructive inspection of austenitic welds and dissimilar weld components is complicated because of anisotropic columnar grain structure leading to beam splitting and beam deflection. Simulation tools play an important role in developing advanced reliable ultrasonic testing (UT) techniques and optimizing experimental parameters for inspection of austenitic welds and dissimilar weld components. The main aim of the thesis is to develop a 3D ray tracing model for quantitative evaluation of ultrasonic wave propagation in an inhomogeneous anisotropic austeniticweld material. Inhomogenity in the anisotropic weld material is represented by discretizing into several homogeneous layers. According to ray tracing model, ultrasonic ray paths are traced during its energy propagation through various discretized layers of the material and at each interface the problem of reflection and transmission is solved. The influence of anisotropy on ultrasonic reflection and transmission behaviour in an anisotropic austenitic weld material are quantitatively analyzed in three dimensions. Theultrasonic beam directivity in columnar grained austenitic steel material is determined three dimensionally using Lamb’s reciprocity theorem. The developed ray tracing model evaluates the transducer excited ultrasonic fields accurately by taking into account the directivity of the transducer, divergence of the ray bundle, density of rays and phase relations as well as transmission coefficients. The ray tracing model is able to determine the ultrasonic wave fields generated by a point source as well as finite dimension array transducers.
In this contribution, we discuss the influence of scattered radiation on materials’ effective attenuation coefficients at higher X-ray energies. The selected X-ray spectra for the dual-energy experiments correspond to 3 MV and 7.5 MV acceleration potential of the used betatron. Experiments were performed on a test phantom containing step wedges of different low- and high-Z materials. We evaluated the ratio between low- and high-energy X-ray attenuation coefficients quantitatively based on simulated poly-energetic high-energy X-ray source spectra and the detector sensitivity using the “analytical Radiographic Testing inspection simulation tool” (aRTist) developed at BAM. Furthermore, the influence of scattered radiation is evaluated using an efficient Monte-Carlo simulation. The simulation results are compared quantitatively with experimental investigations. Finally, important applications of the proposed technique in the context of aviation security are discussed.
Zur Durchstrahlung großer, dichter Objekte reichen die Energien, die mit normalen Röntgenröhren erzielt werden können, ab gewissen Schichtdicken nicht mehr aus. Als hochenergetische Strahlenquellen stehen Kobalt-60 und Elektronenbeschleuniger zur Verfügung. Als Einschränkung der Hochenergieradiographie ist der geringere Kontrast besonders beim Vorhandensein leichterer Objekte umgeben von Körpern bestehend aus schweren Elementen anzusehen. Es ist daher zu erwarten, dass Objekte aus organischen Substanzen hinter dicken Schwermetallwänden oder in Bohrungen von Metallblöcken schwer zu erkennen sind. Im Gegensatz zu einem Gammastrahler wie Kobalt-60 mit den beiden Spektrallinien um 1,3 MeV besitzt die Bremsstrahlung aus einem Beschleuniger einen wesentlichen Anteil an niederenergetischer Strahlung, der fließend zu höheren Energien übergeht. Es wird hier untersucht, welche Signaturen von leichten Materialien in einer Umgebung aus Schwermetall bis zu welcher Dicke und bis zu welchem Komplexizitätsgrad erkennbar sind. Mit einem Betatron (JME X-ray Betatron 7,5 MeV) und einem Matrixdetektor (Perkin Elmer XRD 1621) wurden Aufnahmen von unterschiedlichen leichten Objekten angefertigt, die zunehmend in eine Umgebung aus Schwermetallen gestellt wurden. Mit unterschiedlichen Energieeinstellungen wurde untersucht, inwieweit eine Materialerkennung hinter welcher Abschirmung möglich ist. Die experimentellen Ergebnisse werden mit Simulationen verglichen, die mit einer Software zur Modellierung von Durchstrahlungsverfahren (aRTist) erzeugt wurden. Dabei wird dem Problem der Aufhärtung bei Anwendung von Bremsstrahlung Rechnung getragen. Die Ergebnisse können sowohl zur Erkennung von Fremdkörpern in Maschinen oder Pumpen als auch zur Überprüfung von Frachtladungen im Bereich der öffentlichen Sicherheit und bei Zollkontrollen dienen.
For the radiographic investigation of large cargo Containers the energies of conventional Xray tubes are inadequately for certain layer thicknesses. In that case the high energy radiation sources like electron accelerators and gamma radiators (60CO) are adequate for the non invasive inspection of large Containers because of the high penetration through thick materials. Multiple imaging even enables to distinguish between different materials. The main challenging task in air and sea cargo Container inspection is to improve the detectability of contraband and dangerous materials which are hidden in the heterogeneously packed Containers by detailed analysis of cluttered radiographic images. So it is to be expected that objects of organic substances like certain explosives or their precursors are hard to identify behind thick walls of heavy metal objects such as engine-blocks with flat bottom holes. The primary aim here is to investigate the detectability of dangerous materials (typically of light elements) in cargo Containers using high energy X-ray digital radiography.
In diesem Beitrag wird die numerische Modellierung und deren messtechnische Validierung der elastischen Wellenausbreitung in austenitischen Schweißnähten vorgestellt. Die Ultraschallprüfung von austenitischen Schweißverbindungen war und ist immer noch eine der schwierigsten Aufgaben der ZfP. Für eine optimierte Prüfkonfiguration ist es notwendig, verschiedene Prüfparameter wie Einschallwinkel, Prüfkopfposition und -Orientierung richtig einzustellen. Um die beste Anordnung zu ermitteln, wurde die Schallausbreitung in den austenitischen Schweißnähten mit verschiedenen Verfahren wie elastische finite Integrationstechnik (EFIT) und Raytracing simuliert. Mit Hilfe der Simulationsergebnisse wurde die verwendete Gruppenstrahlerprüftechnik optimiert. Es wurden zahlreiche Untersuchungen an anisotropen Testkörpern in V-Durchschallung und an bezüglich der Schweißnaht transversal orientierten Rissen durchgefühlt. Die Ergebnisse der auf Raytracing bzw. EFIT basierenden Simulationstools wurden untereinander und auch mit den Messergebnissen verglichen.
Die Arbeitsgruppe 5 der Europäischen Föderation für Zerstörungsfreie Prüfung (EFNDT Working Group 5 „Public Security and Safety“, EFNDT WG 5) verfolgt weiterhin das Ziel, organisatorisch weit auseinanderliegende Zuständigkeiten und Arbeitsgebiete zusammenzuführen, die weitgehend mit gleichen, zumindest ähnlichen Prinzipien und Methoden arbeiten.
Auf der Suche nach neuen Wegen stoßen beide Seiten auf Gemeinsamkeiten. Dies gilt auch für neue Ansätze und Bewertungsmethoden von Techniken, mit denen Risiken vermindert werden sollen. Hierzu hat in Berlin ein Workshop im Oktober 2012 stattgefunden, auf dem parallele Projekte zur Container- und Frachtsicherheit zusammengeführt werden konnten. Herausgestellt wurde die Komplementarität der laufenden Projekte, gemeinsame Aspekte sollen künftig auch zusammen bearbeitet werden. Darüber hinaus wurden neue Methoden und Vorgehensweisen vorgestellt, aber auch die Sichtweise der Europäischen Kommission mit ihren Vorstellungen zu einem europäischen Markt für Sicherheitstechnik dargestellt. Angesprochen wurden bestehende und vorgeschlagene europaweite Regulierungen und das europäische Referenznetz zum Schutz kritischer Infrastrukturen (ERNCIP), welches ein Netzwerk von Laboratorien für den Test von Sicherheitstechnik zum Ziel hat. Auf technischem Sektor standen Methoden im Vordergrund, mit denen die Gesamtmenge eines Gefahrstoffes wie z.B. Sprengstoff erkannt werden können, und nicht nur Spuren als indirektem Hinweis. Die Arbeitsgruppe konnte somit erstmalig ein neutrales Forum für parallel laufende Projekte zur öffentlichen Sicherheit zur Verfügung stellen. Die auf den Workshops 2010 bis 2012 in Berlin gehaltenen Vorträge sind auf der EFNDT WG 5 – Webseite im geschützten Bereich zu finden.
Nicht alles davon ist geeignet, es der allgemeinen Öffentlichkeit zugänglich zu machen. Deshalb sind alle Vorträge aus den Workshops in einem passwortgeschützten Verzeichnis abgelegt. Die Erteilung des Passwortes erfolgt über den Convenor der Arbeitsgruppe durch die EFNDT. Eine Erweiterung dieser Struktur zu einem Austauschforum ist vorgeschlagen. Zur Teilnahme daran sind nicht nur Mitglieder in den Gesellschaften für zerstörungsfreien Prüfung eingeladen, sondern auch diejenigen, die in den Anwendungsgebieten zur öffentlichen Sicherheit tätig sind.
This contribution describes a computationally efficient ray tracing algorithm for evaluating transducer generated ultrasonic wave fields in anisotropic materials such as austenitic cladded and austenitic weld components. According to this algorithm, ray paths are traced during its propagation through various layers of the material and at each Interface the problem of reflection and transmission is solved. The presented algorithm evaluates the transducer generated ultrasonic fields accurately by taking in to account the directivity, divergence, density of rays, phase relations as well as transmission coefficients. The ray tracing algorithm is able to calculate the ultrasonic wave fields generated by a point source as well as a finite dimension transducer. The simulation results are compared quantitatively with the results obtained from Elastodynamic Finite Integration Technique (EFIT) on several configurations generally occuring in the ultrasonic non destructive testing of anisotropic materials. The excellent agreement between both models confirms the validity of the presented ray tracing algorithm. Finally, the ray tracing model results are also validated by means of experiments.
Anwendung von Röntgenrückstreutechnik zur Untersuchung von Bauteilen für die Luftfahrtindustrie
(2014)
In this contribution a simulation tool is developed to compute the energy skewing angles and energy coefficients
for the reflected and refracted plane waves in following general cases: (1) reflection and refraction
of plane elastic waves at an interface between isotropic and transversely isotropic solid, (2) reflection
and refraction of plane elastic waves at an interface between transversely isotropic and isotropic solid, (3)
reflection and refraction of plane elastic waves at an interface between two general transversely isotropic
solid and (4) reflection of plane elastic waves from a stress free boundary of a transversely isotropic solid.
Computational results for analytically evaluated acoustic wave energy skewing angles and energy reflection
and transmission coefficients in acoustically anisotropic materials such as austenitic steel materials
exhibiting columnar grain orientation are presented. The obtained results show that the acoustic energy
skewing angles and coefficients in austenitic steel materials strongly depend upon the columnar grain
orientation and are less influenced by the grain orientations which are parallel and perpendicular to the
interface.