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- Hochenergieradiographie (1)
Organisationseinheit der BAM
While the absorption of X-rays and gamma radiation is determined by the Z-number of the elements a specimen is composed of, it is the hydrogen making an effective contrast with neutron imaging. As a consequence, interrogating with neutrons presents a suitable tool to study the distribution of organic consolidants in materials such as wood as encountered in impregnated wooden artworks.
Four different examples of objects are presented here to demonstrate the potential of neutron CT: 1) small wooden pieces of ship wrecks (< 2 cm thickness) interrogated with cold neutrons (0.5 meV at the ANTARES facility of the FRM II in Garching) to demonstrate the potential and the limitation of using low energy neutrons, 2) a wooden statue soaked with carbolineum (fission neutrons 1.8 MeV at the NECTAR facility of the FRM II), 3) a smaller wooden figure of a skull heavily soaked with carbolineum so it was too tight for the fission neutrons used before with accelerator neutrons (broad range about 5.5 MeV at the PTB in Braunschweig) and 4) pieces of charred wood to study the impregnation with a consolidant (NECTAR, FRM II). With the exception of the last example, all results have been combined with X-ray tomography (BAM 8.3 in Berlin). In the case of the charred wood specimens (example 4) the density histograms of the neutron tomography results were compared with those obtained from untreated references. The observed gain in specific density of the soaked specimens corresponded with an increase of specific weight. All results obtained so far showed distinct distribution patterns attributable to structural peculiarities or organic consolidants providing valuable support for subsequent restoration works.
The objects of this investigation were sculptures taken from a ca. three hundred years old baroque epitaph of a church in Tonning, a town in Northern Germany. Around 1900 it was found in a disastrous state heavily damaged by wood-worm. At that time, the whole artwork was treated with the tar extract carbolineum as a remedy. Nowadays, this substance has been identified as carcinogenic, and its presence can be perceived by its stench and visually at certain spots on the surface where it has penetrated the covering paint.
A gold-painted sculpture of a massive wooden skull was interrogated with X-rays and fast neutrons to investigate the internal distribution of the carbolineum. The X-ray tomography, with its excellent spatial resolution revealed galleries left over from the worm infestation in the outer areas and cracks in the central region. The golden color coating appeared as a thick and dense layer. In comparison the tomography with fast neutrons, though being of lower resolution and yet unresolved artefacts revealed sections of slightly different densities in the bulk of the wood. These differences we attribute to the differences in the distribution of the impregnant in the wood, visible due to its higher hydrogen content making it less transparent for neutrons.
Abweichend von der gängigen Vorgehensweise, mit einem Bleistiftstrahl
die Lage eines Bildpunktes festzulegen und die rückgestreute Strahlung großflächig aufzunehmen, bietet die neu entwickelte Kamera Unabhängigkeit von Einstrahl- und Blickrichtung. Ausgestattet mit einer 'Optik' für hochenergetische Strahlung, wie die bereits beschriebene Schlitzblendenkamera, ist die variable Gestaltung von Einstrahl- und Blickrichtung möglich. Damit eröffnet sich die
Chance, Strahlung absorbierende Details in einem Objekt sichtbar werden zu lassen, die sonst von einer streuenden Umgebung überstrahlt würden. Zudem wird gezeigt, wie sich das Erscheinungsbild von Objekten umgebungsbedingt im Rückstreubild ändern kann.
Für die öffentliche Sicherheit wird gesorgt, indem Gefahren rechtzeitig entdeckt werden. Deren Ursprung kann im technischen oder menschlichen Versagen liegen, womit im englischen Sprachraum zwischen 'Safety' und 'Security' unterschieden wird. Hinsichtlich der Folgen verschwimmt aber dieser Unterschied, obwohl für deren Verhinderung unterschiedliche Zuständigkeiten existieren. Bezüglich des gemeinsamen Interesses und auch überlappender Methoden und Vorgehensweisen würden beide Seiten gewinnen können, wenn es eine Brücke zwischen ihnen gäbe. Eine solche zu schaffen hat sich die EFNDT Arbeitsgruppe (Working Group) 5 zur Aufgabe gestellt. Gestaltet werden soll sie durch gemeinsame Veranstaltungen und Seminaren, die zur Bildung von Konsortien und der Durchführung gemeinsamer Projekte führen sollen.
Verleimte Holzproben wurden je nach Größe mit thermischen (ANTARES) bzw. schnellen Neutronen (NECTAR) an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der Technischen Universität München in Garching untersucht. Entweder ließen die durchstrahlbare Schichtdicke oder die eingeschränkte Strahlgeometrie es nicht zu, das Probenteil allseitig zu durchstrahlen.
Um dennoch innere Strukturen wie Leimschichten zumindest mit einem eingeschränkten Winkelbereich tomographisch darzustellen, wurde mit Hilfe des Slice-Theorems erfolgreich rekonstruiert. Ein Brett von 2 cm Dicke wurde mit thermischen Neutronen erfolgreich untersucht, ein größeres mit schnellen.
Neutrons are absorbed particularly by hydrogen containing materials so
they can be used as a tool for visualising heterogeneous density distributions of organic materials. Penetration limits are set by the layer thicknesses and the neutron energies applied. In case of specimens with a flat shape the situation may be encountered that the object only could be penetrated in selected directions. In addition, the overall size may exceed the beam diameter and thus the viewing window if a certain region of interest should be studied by tomography without destroying the integrity of the specimen.
This study shows the capabilities and limits of thermal and fast neutrons to investigate flat wooden specimens such as boards and girders by neutron tomography under such circumstances. Taking projections was impaired either by the limits of penetrability or by the total size of the object. As a consequence, projections were included for reconstruction only from a limited angular range of 90°. It could be shown that an approach based on the slice theorem was capable to visualise structural features along the beam directions while simply omitting the perpendicular ones without causing additional artefacts.
Small samples with a thickness of up to 2 cm but several times broader could be studied with the ANTARES facility of the FRM II neutron source in Garching providing thermal neutrons while larger objects required a beam of higher energy as available in the NECTAR facility of the same institution. The fast (fission) neutrons (1.5 – 2 MeV) of this site allowed investigating an area of interest inside a girder with a cross section of 23.5 x 49 cm². Internal features such as inclusions could be detected as well as a heterogeneous density distribution in glue layers.
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.
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.