Wissenschaftliche Artikel der BAM
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The lack of traceability to meter of X-ray Computed Tomography (CT) measurements still hinders a more extensive acceptance of CT in coordinate metrology and industry. To ensure traceable, reliable, and accurate measurements, the determination of the task-specific measurement uncertainty is necessary. The German guideline VDI/VDE 2630 part 2.1 describes a procedure to determine the measurement uncertainty for CT experimentally by conducting several repeated measurements with a calibrated test specimen. However, this experimental procedure is cost and effort intensive. Therefore, the simulation of dimensional measurement tasks conducted with X-ray computed tomography can close these drawbacks. Additionally, recent developments towards a resource and cost-efficient production (“smart factory”) motivate the need for a corresponding numerical model of a CT system (“digital twin”) as well. As there is no standardized procedure to determine the measurement uncertainty of a CT system by simulation at the moment, the project series CTSimU was initiated, aiming at this gap. Concretely, the goal is the development of a procedure to determine the measurement uncertainty numerically by radiographic simulation. The first project (2019-2022), "Radiographic Computed Tomography Simulation for Measurement Uncertainty Evaluation - CTSimU" developed a framework to qualify a radiographic simulation software concerning the correct simulation of physical laws and functionalities. The most important outcome was a draft for a new guideline VDI/VDE 2630 part 2.2, which is currently under discussion in the VDI/VDE committee. The follow-up project CTSimU2 "Realistic Simulation of real CT systems with a basic-qualified Simulation Software" will deal with building and characterizing a digital replica of a specific real-world CT system. The two main targets of this project will be a toolbox including methods and procedures to configure a realistic CT system simulation and to develop tests to check if this replica is sufficient enough. The result will be a draft for a follow-up VDI/VDE guideline proposing standardized procedures to determine a CT system's corresponding characteristics and test the simulation (copy) of a real-world CT system which we call a "digital twin".
Muon tomography applied to assessment of concrete structures: First experiments and simulations.
(2022)
Non-destructive techniques for reinforced or prestressed concrete inspection such as ultrasound or radar have found regular, successful practical application but sometimes suffer from limited resolution and
accuracy, imaging artefacts or restrictions in detecting certain features. Until the 1980s X-ray transmission was used in case of special demands and showed a much better resolution than other NDT techniques.
However, due to safety concerns and cost issues, this method is almost never used anymore. Muon tomography has received much attention recently. Novel detectors for cosmic muons and tomographic imaging algorithms have opened new fields of application. As a first step towards practical application in civil engineering and as a proof of concept we used an existing system to image the interior of a reference reinforced 600 kg concrete block. Even with a yet not optimized setup for this kind of investigation, the muon imaging results are at least of similar quality compared to ultrasonic and radar imaging, potentially even better. In a second step, we have performed simulations to assess the potential for a set of important testing problems such as grouting defects in tendon ducts. The next steps include the development of mobile detectors and optimizing acquisition and imaging parameters.
Seit beinahe 50 Jahren werden Zuverlässigkeitsbewertungen zerstörungsfreier Prüfverfahren erfolgreich in unterschiedlichen Industriebranchen eingesetzt. Dennoch gibt es weiterhin viele Vorbehalte, da die Bewertungsgrundlage nicht standardisiert ist und konkrete Handlungsanweisungen fehlen. Dem gegenüber steht die Anerkennung in der ZfP-Community. Es ist bisher nur Wenigen bekannt, dass dem Wissen über die Zuverlässigkeit eines zerstörungsfreien Prüfverfahren eineSchlüsselfunktion für die ZfP 4.0 zukommt.
Im Vortrag wird die Notwendigkeit für eine Norm oder eine Richtlinie zum Thema Zuverlässigkeitsbewertungen aufgezeigt. Es wird darauf eingegangen, warum es bisher (in Deutschland) noch keine Richtlinie gab und gibt und was der:die Anwender:innen aus einer Richtlinie zur Zuverlässigkeitsbewertung von ZfP-Prüfverfahren erwarten kann.
Es werden konkrete Schritte und Vorgehensweisen zur Bewertung der Zuverlässigkeit eines Verfahrens aufgezeigt; von der Definition eines Anwendungsfalls, über die Herstellung geeigneter Testkörper bis hin zur Durchführung und Bewertung von Prüfungen unter Einbeziehung von menschlichen Einflüssen. Die Beispiele umfassen sowohl Anwendungen aus dem Bauwesen als auch aus dem Maschinen- und Anlagenbau.
Der Vortrag fasst die bisherigen und geplanten Arbeiten in dem WIPANO Projekt „Normung für die probabilistische Bewertung der Zuverlässigkeit für zerstörungsfreie Prüfverfahren“ zusammen.
Zur Simulation des Schallfeldes von beliebig geformten konventionellen Schallquellen existieren viele Ansätze (EFIT, GPSS). Sie alle basieren auf der Annahme eines monochromatischen akustischen Signals, was meist eine gültige Annäherung darstellt. Allerdings sind bei thermoakustischen Quellen aufgrund ihrer Funktionsweise und der hohen Bandbreite viele der existierenden Ansätze nicht direkt anwendbar und können Beobachtungen bei der Vermessung von thermoakustischen Wandlern nicht vollständig abbilden und erklären.
In diesem Beitrag wurde die bekannte Methode der generalisierten Punktquellensynthese (GPSS) für die Berechnung von Schallfeldern von thermoakustischen Schallquellen angewendet. Dabei gehen zahlreiche Parameter wie die Dicke und Geometrie der leitfähigen Schicht, Krümmung des Substrats, sowie die Signalform der Anregung in die Simulation ein. Neu an dem präsentierten Ansatz ist die Abweichung von der üblichen monochromatischen Annäherung und die Berücksichtigung der großen Bandbreite von thermoakustischen Wandlern. Für die Validierung der Simulationen wurden Schallfelder von Quellen mit bekannter Anregung und Geometrie breitbandig durch ein optisches Mikrofon vermessen.
Radiografische Simulationswerkzeuge wie aRTist, ScorpiusXLab, SimCT oder CIVA CT verwenden analytische Methoden und physikalische Monte-Carlo-Teilchentransportsimulationen, um die Interaktionsprozesse zwischen Röntgenstrahlung und Materie zu simulieren. Die berechneten Projektionen bilden anschließend unter Berücksichtigung einer definierten Scan-Trajektorie die Basis der Simulation einer röntgencomputertomografischen Untersuchung.
Für den erfolgreichen Einsatz der Computertomografie, sei es als zerstörungsfreie Prüfmethode oder beim dimensionellen Messen, ist es generell notwendig, bekannte Fehler- bzw. Abweichungsquellen des Messverfahrens auszuschließen oder zu reduzieren. Dabei hat sich gezeigt, dass die Auswahl der Messparameter und die Erfahrung des Anwenders direkten Einfluss auf das erzielbare Messergebnis einer computertomografischen Untersuchung nehmen. Es ist daher sinnvoll, die Parameterauswahl in einem virtuellen Simulationsaufbau vorher zu erproben und an die Messaufgabe anzupassen.
Neben der Optimierung von Messparametern finden radiografische Simulationswerkzeuge auch Anwendung für Machbarkeitsstudien und werden zur Schulung von Anwendern im Bereich der Röntgen-Computertomografie verwendet.
Radiografische Simulationswerkzeuge befinden sich in einem stetigen Wandel, beispielsweise durch die Entwicklung neuer Rekonstruktionsmethoden, durch Erweiterung von analytischen Modellen, durch Integration komplexer Trajektorien oder durch Berücksichtigung von prozessbedingten geometrischen Abweichungen. Im laufenden EMPIR-Projekt „AdvanCT“ entsteht deshalb ein „Good Practice Guide“ für die Simulationsumgebung aRTist. Ziel dieses Guides ist es, die mit steigender Komplexität verbundenen Einstiegshürden für Anwender von aRTist zu reduzieren, um damit einen praxisnahen Zugang zur virtuellen Computertomografie zu ermöglichen. Dabei werden anhand von praktisch nachvollziehbaren Beispielen die grundlegenden Mechanismen der Simulationsumgebung erklärt und ein strukturierter Leitfaden zur Simulation röntgencomputertomografischer Untersuchungen mit aRTist vermittelt.
In diesem Beitrag werden erste Auszüge des Guides sowie eine Übersicht der weiteren geplanten Themen für die anschließende Diskussion vorgestellt.
Die industrielle Röntgen-Computertomografie (CT) etabliert sich für die Anwendung in der dimensionellen Messtechnik. Sie bietet als zerstörungsfreies Messverfahren das Potential, sowohl innen- als auch außenliegende Merkmale holistisch zu erfassen. Für die Bestimmung der Güte eines Messwerts muss die dem Messwert zugeordnete Messunsicherheit ermittelt werden. Dabei kann, nach derzeitigem Stand der Technik und Normung, die aufgabenspezifische Messunsicherheit nach VDI/VDE 2630 Blatt 2.1 nur unter hohem Aufwand mit einer Vielzahl an experimentellen Wiederholmessungen ermittelt werden. Ziel diverser Forschungs-projekte zu diesem Thema ist es daher, eine numerische Messunsicherheitsbestimmung zu erreichen. Dafür ist es notwendig, alle signifikanten Einflussgrößen zu erfassen, deren Unsicherheitsbeiträge zu bestimmen und zu bewerten. In diesem Beitrag wird der Einfluss des Bildrauschens auf verschiedene dimensionelle Messgrößen simulativ untersucht. Mithilfe eines prismatischen Prüfkörpers, der eine Vielzahl an Geometrieelementen aufweist, werden verschiedene Messgrößen unterschiedlicher Komplexität betrachtet. Ziel ist es, für diese Messgrößen zu testen, wie diese auf das Bildrauschen reagieren. Dieses wird dabei durch das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der Projektionsgrauwerte beschrieben und variiert. Es werden Wiederholsimulationen durchgeführt, damit eine statistische Aussage über die Verteilung der Messwerte möglich ist und der Einfluss des Rauschens auf verschiedene Messgrößen individuell beurteilt werden kann. Das Simulationsszenario wird so gestaltet, dass lediglich das Bildrauschen Einfluss auf die Messung hat. Die berechneten Verteilungsbreiten lassen mit sinkendem SNR eine deutliche Zunahme erkennen, insbesondere bei der Bestimmung von Formabweichungen. Simuliert wird mit der Software aRTist 2.10 (BAM).
Die Simulation von Ultraschallausbreitung ist ein wesentliches Hilfsmittel zur Optimierung von Prüfanordnungen und wird zunehmend in der Prüfvorbereitung eingesetzt. Eisenbahnschienen sind Bauteile mit komplexer Geometrie und im eingebauten Zustand eingeschränkter Zugänglichkeit. Bei der Prüfung im Feld entstehen aus der Schienengeometrie komplexe Echosignale mit Formanzeigen, die schwer zu interpretieren sind.
Für das bessere Verständnis der Schallausbreitung in der Eisenbahnschiene wird diese in einem ersten Schritt mit Hilfe verschiedener Ansätze modelliert. Hierbei werden Finite Elemente Methoden und semi-analytischen Modelle verwendet. In einem zweiten Schritt werden die Ergebnisse der Simulationsmodelle einander gegenübergestellt und mit Messungen an realen Schienen verglichen.
Ziel dieser Untersuchungen ist die Validierung von Simulationsverfahren mit Hilfe von Messdatensätzen und Überprüfung der Anwendbarkeit bei der Bewertung von Ergebnissen der Schienenprüfung.
Minimally invasive injection of calcium phosphate cement into bone defects in aged sheep vertebrae has been used as a model for the treatment of osteoporotic vertebral fractures. One of the therapeutic criteria is a compression test of non-treated or treated vertebral bodies. In the present study, an in situ compression test with a stepwise load increase was performed with small spongiosa cylinders from the vertebrae under continuous monitoring by μCT. This allows localization of bone cracks and the visualization of correct placement and form of the bone cylinder. In addition, the effects of an uneven load distribution on the sample due to an irregular shape and a subsequent underperformance of the test sample can be excluded by controlling its shape under increasing load. There was a good agreement between the measured data and those obtained by simulated load-dependent transformation on the basis of a digital volume correlation between consecutive compression tests on the bone surface under the assumption of homogeneous bone material. Mechanic simulation was executed by directly using structural voxel data, resulting in maps of Von Mise stresses and predicted displacements.
Untersuchungen haben gezeigt, dass sich ältere Schafe gut als Modell für die mi-nimalinvasive Behandlung von Osteoporose eignen [1]. Um einen Behandlungs-effekt nachzuweisen, wird dabei unter anderem die Belastungsfähigkeit des Kno-chens durch Druckversuche an kleinen Zylindern aus den behandelten und unbe-handelten Knochen bestimmt. Diese hatten hier einen Durchmesser von 10 mm und eine Höhe von 13 mm. Für den in-situ Druckversuch wurde eine Deben CT5000 verwendet. In einer Serie von Druckerhöhungen wurden die Proben je-weils tomographiert. Dabei ergab sich zunächst, dass mit der µCT innerhalb der Knochen im oberen und unteren Bereich schon Brüche nachgewiesen werden können, obwohl die gemessene Kraftaufnahmekurve keine Unstetigkeit zeigt. Deswegen wurden die starren Probenaufnehmer der Deben Anordnung durch bewegliche Aufnehmer ergänzt, die eine leichte Verkippung der belasteten Ober-flächen ausgleichen können. Ein Vergleich der gemessenen und der aus den µCT-Daten berechneten Verschiebungsfelder ergab trotz der komplexen Struktur der Knochen gute Übereinstimmungen. Diese Verschiebungen wurden dann mit den aus den µCT Daten simulierten mechanischen Druckversuchen, Von-Mise-Spannungen und daraus berechneten Verschiebungen verglichen. (VGStudioMax Simulation).
One essential step on the way towards accurate quantitative simulation of radiographic testing is an accurate description of the utilized energy spectrum of X-ray photons. For use in general purpose simulation tools, the spectra of X-ray tubes have to be described by a model covering at least the intended range of applications. This range includes transmission tubes as well as direct beam tubes with varying angles of incidence and emission, for a number of typical target materials. In radiographic testing acceleration voltages frequently reach up to 450 kV for direct beam targets and up to 225 kV for transmission targets, with even higher voltages available or being developed. Currently used models are unable to cover the whole range of configurations.
Here a model is presented that employs a unified approach for simulating the photon energy spectra for transmission and direct beam targets composed of arbi-trary homogeneous materials. In order to achieve this, a detailed model of electron transport within the target is employed. The validity of the developed model is shown through comparisons with Monte Carlo simulations as well as measurements for a number of different configurations.
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.
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.
Modelling becomes more and more important in modern NDE. It is increasingly used to optimize techniques for complex applications, to support the preparation of written procedures, and for education purposes. To describe the complete chain of RT, the model includes simulating all necessary properties of X- or Gamma-ray sources, the interaction of photons with material with special attention to scattered radiation, the detection process, and the complete geometrical RT setup handling arbitrary parts or constructions. Depending on the given inspection problem and the influencing factors that should be addressed by the simulation, an appropriate physical model has to be chosen to describe the underlying interaction mechanisms. The simulator aRTist combines analytical and Monte Carlo methods to efficiently model the radiation transport such that transmission as well as scatter techniques can be modelled. In this contribution we Focus on Monte Carlo Simulation of scatter contribution within aRTist. Examples for RT/tomographic applications and back-scatter techniques are presented to demonstrate the usability of the presented simulation tool for a broad range of radiological applications.