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Bildgebende Verfahren und Analyse

Bildgebende Verfahren – Radiographie- und Tomographie-Anlagen (ANTARES, NECTAR)

Bildgebende Verfahren (Imaging) mit Neutronen basieren auf unterschiedlichen Abschwächungswahrscheinlichkeiten, wenn ein Neutron ein Objekt passiert. Wasserstoff weist z.B. einen höheren Abschwächungskoeffizienten als Blei oder Kupfer auf, so dass die Abschwächung für Wasserstoff stärker ist als für Blei oder Kupfer. Aufgrund der großen Eindringtiefe von Neutronen, können so detaillierte Bilder mit hohem Kontrast auch von ausgedehnten Objekten erhalten werden.

Die Wechselwirkungsmechanismen von Neutronen und Röntgenstrahlen mit Materie unterscheiden sich stark. Verglichen mit Röntgenstrahlen, liefern Neutronen einen höheren Kontrast für wasserstoffhaltige Materialien, wie z.B. Wasser oder Öl, wodurch bildgebende Verfahren mit Neutronen die Methode der Wahl für viele spezielle industrielle und physikalische Anwendungen darstellen. Heute können Auflösungen bis zu 25 µm sowohl mit Radiographie als auch mit Tomographie erreicht werden.

Klassisch wurden bildgebende Verfahren mit Neutronen zur Qualitätskontrolle in Branchen eingesetzt, wo Präzisionsbearbeitung erforderlich ist, wie z.B. beim Flugzeug- oder Motorenbau. Heutzutage stellt eine weitere wichtige Anwendung der Neutronenradiographie die Prüfung der Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellen durch in-situ-Beobachtung von Wasser oder Wasserstofffluss in den Zellen.

„Neutronen Imaging“ hat auch in den Bereichen kulturelles Erbe, Kunst und Archäologie Anwendung gefunden, um z.B. Gemälde zu authentifizieren oder Artefakte aus Metall oder Stein zu untersuchen. Echtzeit-Imaging ermöglicht zudem Visualisierung von Bewegungen innerhalb von Objekten, wie z.B. Ölfluss in Motoren oder Wasserverteilung in Brennstoffzellen, ohne dabei die Untersuchungsobjekte zu zerstören.

Bei der Neutronenradiographie (NR) werden zweidimensionale Transmissionsbilder erhalten. Bei der Neutronentomographie werden durch Bestrahlung aus vielen verschiedenen Richtungen dreidimensionale Daten eines Objekts mit Informationen über dessen innere Struktur mit Hilfe von gemessenen Transmissionsdaten rekonstruiert.

Während ANTARES kalte Neutronen verwendet, nutzt NECTAR schnelle (Spalt-) Neutronen. Da Spaltneutronen dichte Materialien leicht durchdringen, wird NECTAR für die Untersuchung von massiven Objekten verwendet und auch für Gegenstände mit hohem Wasserstoffgehalt, wo kalte Neutronenradiographie nicht geeignet ist. Im Vergleich zu NECTAR weist ANTARES jedoch einen verbesserten Kontrast auf, was eine bessere Trennung der benachbarten Elemente im Periodensystem ermöglicht.

Neutronen-Aktivierungsanalyse (NAA) und Prompte Gamma-Aktivierungs-Analyse (PGAA)

PGAA und NAA PGAA und NAA Prinzip der PGAA und NAA.
Prinzip der PGAA und NAA.

Prompte Gamma-Aktivierungs-Analyse (PGAA) und Neutronen-Aktivierungsanalyse (NAA) sind nukleare Analysetechniken. Sie basieren auf dem Einfang eines Neutrons durch den Atomkern. Unmittelbar nach Neutroneneinfang wird die Bindungsenergie der Neutronen in Form von Gammastrahlen (prompte Gammastrahlen) freigesetzt. Wenn ein radioaktives Nuklid gebildet wird, kann auch verzögerte Gammastrahlung emittiert werden (NAA). Sowohl prompte und als auch verzögerte Gammastrahlen sind charakteristisch, d.h. ihre Energie identifiziert das Element und das Isotop. Die gemessenen Intensitäten verhalten sich dabei proportional zur Element- oder Isotop-Menge. Folglich kann der Nachweis der Gammastrahlung für die zerstörungsfreie Analyse einer großen Vielfalt von Materialien verwendet werden. Während PGAA hauptsächlich für die Analyse von leichten Elementen verwendet wird und Informationen über die Zusammensetzung der Probe liefert, ist NAA hervorragend geeignet, um Spurenelemente in Proben zu nachzuweisen.

Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig und umfassen die Untersuchung von Proben in den Bereichen Materialwissenschaften (Spurenelemente in Halbleitern, Superlegierungen), Archäologie und kulturelles Erbe (Keramik, Münzen, Metallen und Bronzen), Geologie und Petrologie (Mineralien, Sedimente), Medizin (Spurenelemente in Geweben, Nano-Partikel für die Krebstherapie), Umweltforschung (Luftverschmutzung, Verschmutzung von Flüssen), Untersuchung von Kernmaterial, in-situ-Überwachung von chemischen Reaktionen, die Bestimmung nuklearer Daten und vieles mehr.

Tomographie Tomographie Tomographie von Lithiumionenbatterien (Bild: A. Senyshyn, et al, Journal of Power Sources, 203, 126 (2012))
Tomographie von Lithiumionenbatterien (Bild: A. Senyshyn, et al, Journal of Power Sources, 203, 126 (2012))

Radiographie Radiographie Radiographie eines Vergasers (Bild: ANTARES, FRM II).
Radiographie eines Vergasers (Bild: ANTARES, FRM II).

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