Ullrike Worm, Sommersemester 2013

English translation


Durchstrahlungsprüfung mit Röntgenstrahlen (Röntgentomographie, Radiografie)

Bildgebendes Verfahren zur Durchstrahlung von Körpern über Röntgenstrahlen mit Abbildung einer inneren Struktur. Die Durchstrahlungsprüfung wird vor allem zum Aufsuchen von Materialfehlern und Inhomogenität genutzt. Auch können je nach Wellenlänge verschiedene Dicken und deren Änderung betrachtet werden.

Geschichtliches

Die Röntgenstrahlung wurde 1895 von Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) entdeckt. Bei einem Experiment mit einer Kathodenstrahlröhre entdeckte er zufällig die von ihm so genannten X-Strahlen, die Röntgenstrahlung. Er stellte fest, dass bei Funkenentladung in der Röhre im dunklen Raum ein Kristall aufleuchtet, die Strahlung folglich die Fluoreszenz bestimmter Stoffe hervorruft. Gleiche Strahlung ist fähig fotographische Filme zu schwärzen. Die Röntgenstrahlung wurde vor allem medizinisch zur Durchstrahlung des menschlichen Körpers genutzt. Daneben war auch die Möglichkeit in metallene Gegenstände zu blicken bekannt. Die Gefahr für den menschlichen Körper durch die Strahlung blieb dabei noch unberücksichtigt. Heute wird die Röntgenstrahlung neben der Medizin vor allem zur Zerstörungsfreien Prüfung genutzt und ist unter anderem vom Durchleuchten der Gepäckstücke am Flughafen bekannt.

Röntgenstrahlung

Röntgenstrahlung besteht aus elektromagnetischen Wellen im Längenbereich von 0,1 nm bis 10 nm, die sich geradlinig ausbreiten. Sie entsteht durch eine Zustandsänderung von Elektronen. Dabei wird nach ihrem Entstehungsprozess zwischen Bremsstrahlung und K-Schalenemission unterschieden.

Bei der Bremsstrahlung werden dem Namen nach Elektronen abgebremst. Die Röntgenröhre besteht aus einer, in einem Metallgehäuse eingeschlossenen, Kathode und einer schräg dazu gerichteten Anode. Durch das Aufheizen der Kathode werden freie Elektronen erzeugt und beschleunigen durch eine angelegte Hochspannung in Richtung der Anode. Durch diese werden die Elektronen abgebremst und Strahlung wird frei. Dieses Prinzip ist in Abb. 1 dargestellt. Dabei handelt es sich nur zu 1% um Röntgenstrahlung, der Rest wird in Wärme umgewandelt. Der Großteil wird durch die schräg gerichtete Anode zu einem Austrittsfenster geleitet, der verbleibende Rest muss vom Metallgehäuse nach außen hin abgeschirmt werden. Die Anode besteht oft aus Wolfram, da es einen sehr hohen Schmelzpunkt besitzt und Wärme gut leitet, trotzdem wird die Anode meist mit Luft oder Wasser gekühlt.

Die Energie der Röntgenstrahlung wird in KeV (Kilo-Elektronenvolt) angegeben, sie ist abhängig von der kinetischen Energie, welche direkt proportional zur angelegten Hochspannung ist. Das kontinuierliche Spektrum entsteht dabei durch ein unterschiedlich starkes Abbremsen der Elektronen. Wenn die kinetische Energie vollständig in ein einzelnes Photon umgewandelt würde, erreicht man die sogenannte Grenzenergie. Die Intensität der Röntgenstrahlung ist neben der Röhrenspannung auch vom Röhrenstrom abhängig, die Zusammenhänge sind in Diagramm 1 und Diagramm 2 dargestellt. Dabei sind Röhrenstrom und -spannung in AU (abitrary units = beliebige Einheit) aufgetragen.

Röntgenstrahlung höherer Intensität erhält man mit der K-Schalenemission. Dabei überträgt ein freies Elektron genau so viel Energie an ein Elektron auf der inneren Schale, dass dieses seinen Energiezustand verlassen kann. Die so entstandene Lücke wird von einem Elektron eines höheren Energiezustands geschlossen, wobei die freiwerdende Energie in Form eines Röntgenphotons abgegeben wird.

Eigenschaften von Röntgenstrahlen:

Abb. 1: Funktionsprinzip einer RöntgenröhreDiagramm 1: Einfluss des Röhrenstroms auf die EnergieDiagramm 2: Einfluss der Röhrenspannung auf die Energie

Strahlungsschwächung

Beim Auftreten der Strahlung auf ein Material wird diese geschwächt. Dies ist grundlegend für die Arbeitsweise der Durchstrahlungsprüfung, da nur durch die Strahlungsschwächung der Unterschied zwischen verschiedenen Materialien erkannt werden kann. Die Schwächung hängt besonders von drei Faktoren ab:

  1. dem durchstrahlten Material, v. a. seiner Dichte und chemischen Zusammensetzung
  2. der Dicke des Materials
  3. der Strahlungsenergie, bestimmt durch die eingestellte Spannung des Röntgengerätes

Zur Schwächung tragen immer Absorption und Streuung bei. Dabei wird bei der Streustrahlung immer die ursprüngliche Strahlungsrichtung verändert und die Energie vermindert. Diejenige Strahlung, die die ursprüngliche Richtung exakt beibehält, wird als Primärstrahlung bezeichnet. Zur Strahlungsschwächung können folgende Mechanismen beitragen, die auch in Tabelle 1 dargestellt sind.

Tabelle 1: Prinzipien der Strahlungsschwächung

Photoabsorption

Das Strahlungsquant (Photon) besitzt genug Energie, um ein Elektron aus der Inneren Schale herauszuschleudern. Das Photon wird vernichtet und ein Photoelektron entsteht, welches die überschüssige Photonenergie als kinetische Energie umwandelt.

Klassische Streuung

Das Photon wird lediglich von den Elektronen der Atomhülle umgelenkt. Das geschieht elastisch ohne Energieübertrag, sodass nur eine Richtungsänderung vorliegt.

Comptonstreuung

Das Photon schlägt ein schwach gebundenes Elektron aus einer äußeren Schale und überträgt an dieses einen Teil seiner Energie. So entsteht das Compton-Elektron. Das Photon fliegt mit der verbleibenden Energie weiter, wobei die Wellenlänge durch den Energieverlust größer wird.

Paarbildung

Ist die Energie des Photons größer 1,02 MeV (Mega-Elektronenvolt) kann es im elektrischen Feld eines Atoms in ein Elektron und Positron zerfallen. Das Photon verschwindet dabei, da es seine gesamte Energie zur Erzeugung der Elektronen und für die kinetische Energie benötigt. Allerdings ist der Effekt zu vernachlässigen, da die Energie bei den meisten Röntgenanlagen darunter liegt.

Halbwertsschicht

Die Halbwertsschicht oder -dicke ist ein Maß für die abschirmende Wirkung eines Materials. Sie gibt die Dicke eines Materials an, welche zur Halbierung der Dosisleistung der Strahlung notwendig ist. Dies ist abhängig von der jeweiligen Strahlungsenergie. Einige Werte sind in Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 2: Halbwertsschichtdicken

Energie in MeV0,1110100
Blei0,010,891,210,64
Eisen0,261,473,022,10
Beton1,754,6612,912,5
Wasser4,159,8531,640,2

Strahlenschutz

Röntgenstrahlung kann am Körper neben der akuten Schädigung, die sich durch sofortige Verbrennungen durch hohe Strahlungsdosis äußert, auch Spätschädigung und sogar Erbschädigung hervorrufen. Die Strahlung bewirkt eine Änderung in den Molekülen und beeinträchtigt so die Eigenschaften und das Verhalten von Zellen. Daher sind die Bestimmungen der Strahlenschutzverordnung zu beachten. Positiv für den Strahlenschutz wirkt sich das Abstands-Quadrat-Gesetz aus. Bei einfachem Abstand ist die Dosis pro Flächeneinheit zu 1 festgelegt, bei doppeltem Abstand beträgt die Dosis pro Flächeneinheit nur noch ein Viertel und bei dreifachem Abstand nur noch ein Neuntel. Dadurch haben auch kleine Abstandsänderungen einen großen Dosisunterschied zur Folge. Grundsatz ist beim Strahlenschutz, nur mit der notwendigen Stärke zu arbeiten und sich nicht länger als nötig im Gefahrenbereich aufzuhalten. Weiter sind möglichst große Abstände einzuhalten und eine ausreichende Strahlenabschirmung vorzunehmen. Bevorzugte Materialien sind dabei Blei, Stahlbeton oder Kalksandstein.

Röntgenanlagen

Es gibt Anlagen bei denen die Röntgenröhre mit Generatoren zusammen in einem Gehäuse untergebracht ist oder getrennte Anlagen mit mehreren separaten Gehäusen. Zusätzlich ist ein Kühlaggregat notwendig. Die Röntgenstrahlen werden wie unter dem Punkt Röntgenstrahlung beschrieben in einer Röntgenröhre erzeugt und über ein Auslassfenster auf das Prüfobjekt geleitet. Zwischen Röntgenröhre und Prüfobjekt werden oft Blenden angebracht, um die Strahlung auf einen bestimmten Bereich zu begrenzen. Die Einzelnen Bestandteile können dabei auf der sogenannten optischen Bank fixiert werden (vgl. Abb. 5). Die Strahlen dringen in gestörten Bereichen einfacher durch das Material hindurch und schwärzen den Film, wogegen intakte Bereiche die Strahlen zum Großteil abschirmen, dies stellt auch Abb. 2 dar. Durch den Strahlungsunterschied entsteht das Röntgenbild. Der Strahlennachweis erfolgt über einen Film oder Flächendetektor, entweder wird der Film entwickelt oder das Signal des Detektors in ein digitales Bild umgewandelt.

Abb. 2: Funktionsweise von RöntgenanlagenAbb. 3: Prinzipskizze zur Röntgentomographie

Röntgentomographie

Im Gegensatz zum einfachen Röntgen, bei dem alle Tiefenlagen im Objekte in gleicher Schärfe auf einer Aufnahme abgebildet werden, wird bei der Röntgentomografie (Tomografie - altgriechisch: tome „Schnitt“ , grafëin „schreiben“ ) nur eine Tiefenlage scharf abgebildet, wobei alle anderen Lagen verwischt erscheinen. Das Prinzip ist in Abb. 3 dargestellt. Röntgenröhre und Kassette bewegen sich in gegenläufige Richtungen, sodass nur der Drehpunktbereich der gedachten Achse zwischen Röhre und Kassette, hier mit einem Dreieck gekennzeichnet, scharf abgebildet wird. Alles Andere wird unscharf, bzw. verwischt dargestellt. Im Normalfall werden mehrere Aufnahmen von verschiedenen Tiefenbereichen gemacht, um eine gute Aussage über das Objekt erreichen zu können. Als Weiterentwicklung des Verfahrens gibt es die Röntgen-Computertomographie.

Aufnahmetechnik und Bildqualität

Digitale Aufnahme Die Bilder werden mittlerweile digital durch spezielle Phosphorbildschirme oder flache Paneele mit mikroelektronischen Sensoren aufgezeichnet. Bei den Phosphorbildschirmen wird der Effekt genutzt, dass bestimmte Stoffe durch die Strahlen zur Lichtabgabe angeregt werden, die sogenannte Fluoreszenz. Die Signale müssen in sichtbares Licht oder Stromsignale umgewandelt werden, um ein digitales Bild darstellen zu können. Daneben gibt es Szintillatoren, die durch die Röntgenstrahlung angeregt ebenfalls sichtbares Licht oder UV-Strahlen abgeben.

Filmaufnahme Auch die komplizierter zu handhabenden Filmaufnahmen sind immer noch weitverbreitet. Auf dem Film befindliche mikroskopisch kleine Silberbromid Körner, welche bei Strahlungseinwirkung zerfallen und daraufhin durch einen chemischen Prozess schwarz erscheinen, sorgen für das Entstehen des Röntgenbildes. Bei der Entwicklung des Films werden die unveränderten Bromidkörner ausgelöst und so das Bild fixiert.

Entscheidend für die Auswertung der Fehlstellen ist die Bildqualität, diese hängt vom Kontrast, sowie der geometrischen und inneren Unschärfe ab.

Abb. 4: Beispiel für einen Bildgüteprüfkörper

Kontrast Der Kontrast beschreibt die maximale Schwärzungsänderung zwischen Objekt, bzw. Fehler und seiner Umgebung. Er erhöht sich bei der Verringerung von Streustrahlen, z. B. durch den Einsatz von Blenden, sowie Seiten- und Rückenabdeckungen. Weiteren Einfluss haben das Material und die Dicke des Prüfobjektes.

Geometrische Unschärfe Auf Grund der geradlinigen Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen gelten die Gesetze der Optik, sodass neben dem gewollten Kernschatten ein Halbschatten entsteht, der als geometrische Unschärfe bezeichnet wird. Sie wird geringer bei großem Abstand von Strahlenquelle und Objekt, kleinem Abstand von Objekt und Film oder kleinem Durchmesser der Strahlenquelle, dem Fokus.

Innere Unschärfe Die innere Unschärfe hängt von der Körnigkeit des Films ab, welche durch die Größenverteilung der Silberbromidkörner bestimmt wird. Je feinkörniger das Material ist, umso höher aufgelöst ist die Fehlerabbildung. Bei den Strahlendetektoren hängt die innere Unschärfe von dem verwendeten Detektormaterial ab. Zusätzlich haben Ionisationsprozesse und Strahlungsenergie Einfluss darauf.

Alle genannten Effekte bewirken die Bildqualität. Diese wird mit einem Bildgüteprüfkörper (Abb. 4) nach DIN-EN 462 bestimmt. Er besteht aus verschieden dicken Drähten, die in einem Plastikgehäuse zusammengefasst sind. Je nach zu prüfendem Material gibt es eine Vielzahl verschiedener Prüfkörper. Die Bildqualität wird nach dem dünnsten erkennbaren Draht festgelegt. In dem Feld über den Drähten ist durch Bleibuchstaben die Kennzeichnung des jeweiligen Prüfkörpers angegeben. Sie gibt die Bildgütezahl des gröbsten Drahtes, den Werkstofftyp und die Normierung an.

Anwendung

Angewendet wird das Verfahren zur Prüfung von Werkstücken auf Fehlstellen und Inhomogenitäten. Diese sind besonders gut zu erkennen, wenn sie im Gegensatz zum fehlerfreien Material viel Strahlung durchlassen. Weiter können äußerlich nicht sichtbare Montage- und Konstruktionsdetails erkannt, sowie Dickenunterschiede sichtbar gemacht werden. Ebenso sind Materialrisse meist gut erkennbar. In Abb. 5 ist beispielhaft ein Röntgenvollschutzgerät für solch eine Anwendung dargestellt Auf Grund ihrer einzigartigen Kristallstrukturen können sogar Kristalle identifiziert werden. Das geschieht über die Bestimmung des Kristallgitters durch Einstrahlung über einen bestimmten Winkel und das gelten der Braggschen Beziehung. Der Goniometer, mit dem der Einstrahlwinkel eingestellt wird, kann ausgebaut werden und ebenso eine normale Durchstrahlung an kleineren Objekten durchgeführt werden. Das Röntgenbild wird hier über einen Szintillator für den Betrachter mittels Röntgenfluoreszenz sichtbar gemacht und kann durch eine dahinter liegende Kamera aufgezeichnet werden. Auf der optischen Bank können zusätzlich Blenden angebracht werden. Weiter kann das Verfahren zur Prüfung und Untersuchung historischer Steinskulpturen und Gesteinen im Allgemeinen verwendet werden.

Abb. 5: Röntgenvollschutzgerät zur Durchstrahlung von Objekten und Anwendung mit Goniometer

Literatur