High-tech Material-untersuchung

In den letzten Jahren konnte gezeigt werden, dass die Bildgebung mittels Neutronen eine starke, wettbewerbsfähige und zukunftsträchtige Methode für die Materialuntersuchung, zahlreiche industrielle Applikationen und ein Werkzeug für unterschiedlichste Bereiche in der universitären Forschung ist. Ein Hauptgrund für diesen Fortschritt ist sicherlich durch die Entwicklung und Anwendung von geeigneten digitalen Apparaten für die Bildgebung mittels Neutronen in Kombination mit Szintillationsplatten als das Rückgrat des Detektionssystems. Durch die Verwendung von Szintillationsplaten konnten die Belichtungszeiten reduziert werden von einigen Stunden auf einige Sekunden bis hin zu Mikrosekunden. Daher ist es naheliegend, dass die Qualität der Szintillationsplatte unmittelbar die Qualität der ganzen Strahllinie für die Bildgebung mittels Neutronen beeinflusst.

In Zusammenarbeit mit dem Paul Scherrer Institut (PSI) entwickelte die RC Tritec AG optimierte Szintillationsplatten um den Kunden eine bestmögliche Lichtausbeute kombiniert mit einer optimalen Auflösung zu garantieren. Die Entwicklung ist nicht abgeschlossen und wird stetig vorangetrieben um auch in Zukunft den Bedürfnissen der Kunden gerecht zu werden.

Die Art der Szintillationsplatte kann, abhängig von der Energie der Strahlenquelle, gewählt werden.

Thermische und kalte Neutronen (0.12 – 100 MeV): Wichtigste Eigenschaften der Szintillationsplatten

Der Szintillationsprozess für thermische und kalte Neutronen verläuft zweistufig: Zunächst findet eine Kernreaktion mit Ionen mit hohem Einfangquerschnitt statt (155/157Gd, 6Li or 10B) welche eine Sekundärstrahlung generieren. Diese Sekundärstrahlung regt ein Leuchtpigment an, welche eine Emission in dem optimalen Bereich des Detektionssystems zeigt. Es gibt separierte Systeme mit 6LiF / ZnS als Absorber / Fluoreszenzpigment oder einkomponentige Systeme wie zum Beispiel Gd2O2S:Tb mit Gd als das Absorberion integriert in das Fluoreszenzpigment.

Um eine hohe Lichtausbeute (spart Messzeit) und eine hohe Auflösung (gibt ein optimales Bild) zu erreichen bedarf es der perfekten Kombination aus Absorberion und Fluoreszenzpigment, welche homogen und in der richtigen Schichtdicke appliziert sind. Aktuell besitzt die Kombination 6LiF / ZnS die höchsten Lichtausbeuten, während die Gd-basierten Szintillatoren die höchsten Auflösungen zeigen. Die Schichtdicke des Szintillationsmaterials ist frei wählbar um die Performance den eigenen Bedürfnissen anzupassen. Das Material ist mit einem organischen Binder üblicherweise auf einer Aluminiumplatte appliziert, so dass die Pigmente gut haften und eine Handhabung ohne grössere Einschränkungen (mechanisch belastbar) gegeben ist.

Standard Szinitillationsplatten für die Bildgebung mittles kalten oder thermischen Neutronen (0.12 - 100 meV):

GrundmaterialEmissionDimensionSchichtdickeKommentar
6LiF / ZnS:Cu (Verh. 1 / 2)530 nm (grün)bis zu 400 x 400 mm50 bis zu 400 µmHohe Lichtausbeute und hohe Auflösung
6LiF / ZnS:Ag (Verh. 1 / 2)450 nm (blau)bis zu 400 x 400 mm50 bis zu 400 µmHohe Lichtausbeute und hohe Auflösung
Gd2O2S:Tb447 / 549 nm (blau-grün)bis zu 100 x 150 mm10 bis zu 40 µmSehr hohe Auflösung
Gd2O2S:Tb / 6LiF (20%)447 / 549 nm (blau-grün)bis zu 100 x 150 mm10 bis zu 50 µmSehr hohe Auflösung mit erhöhter Lichtausbeute

Die RC Tritec AG und das PSI sind bestrebt alle Kundenanforderungen bzw. Wünsche zu erfüllen. Für Spezialgrössen, Schichtdicken oder irgendeine andere Anforderung kontaktieren Sie uns bitte.

Schnelle Neutronen (>0.8 MeV): Wichtigste Eigenschaften der Szintillationsplatten

Für die Bildgebung mittel schneller Neutronen verwendet man üblicherweise eine PP Platte gefüllt mit ZnS als Fluoreszenzpigment. Der Szintillationsprozess ist ebenfalls zweistufig. Die Neutronen wechselwirken mit den Wasserstoffatomen des Polypropylens und bilden Rückstrahlprotonen. Diese regen das ZnS an resultierend in einer Emission (blau bis orange) angepasst an das entsprechende Detektorsystem. Zusätzlich kann die Schichtdicke und der ZnS Gehalt variiert werden um die Eigenschaften den Erfordernissen anzupassen.

Standard Szintillationsplatten für die Bildgebung mittels schnellen Neutronen (>0.8 MeV):

GrundmaterialEmissionDimensionSchichtdickeKommentar
PP / ZnS:Cu (30%)530 nm (grün)bis zu 450 x 450 mm2 - 5 mmSehr hohe Lichtausbeute und gute Auflösung
PP / ZnS:Ag (30%)450 nm (blau)bis zu 450 x 450 mm2 - 5 mmSehr hohe Lichtausbeute und gute Auflösung

Typische Anwendungen der Szintillationsplatten: Wann verwende ich welchen Typ

Tomographische Untersuchungen erlauben es, zerstörungsfrei Informationen über innere Eigenschaften, wie Materialzusammensetzung, Materialverteilung und Strukturen der Probe zu gewinnen. Die Tomographie (3D) bietet gegenüber der Radiographie (2D) einen weiteren Vorteil: jedes Voxel (3D-Pixel) enthält Information über den Schwächungskoeffzienten.

Neben qualitativen Aussagen zur Struktur innerhalb der Probe wird somit eine lokale Quantifizierung der Materialien im Rahmen der Pixelauflösung möglich.

Da Neutronen Imaging mit einer sogenannten Parallelstrahlgeometrie arbeitet, ist die Auflösung direkt mit dem Gesichtsfeld gekoppelt. Die Pixelauflösung erhält man durch das Dividieren des Gesichtfeldes durch die Anzahl von Pixeln entlang der x- und y-Richtung. Heutzutage werden digitale Detektorsysteme fuer das Neutronen Imaging verwendet welche circa 2k x 2k Pixel aufweisen. Mit Gesichtsfeldern im Bereich von 27mm x 27mm bis 400mm x 400mm liegt die Auflösung im Bereich von 13,5 µm/Pixel bis 200 µm/Pixel. Daher muss der geeignete Szintillator gewählt werden. Für die hochauflösende Messungen ist ein Gadolinium basierter Szinitillator ideal, wohin gegen für Messungen mit einer Auflösungen ab 50 µm ein 6LiF: ZnS Szintillator empfohlen wird.
Beispiele für Neutronentomographien eines Dieselpartikelfilters einmal mit einem Standard- und einmal mit einem hochauflösenden Setup sind in der Abbildung unten gezeigt.

Szintillationsplatten
Tomographie eines Rußfilters

Für weitere Informationen siehe: Paul Scherrer Institut