EinführungSzintillatoren für die Bildgebung mittels Neutronen

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.

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.

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 für 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.