Dual Energy-Verfahren in der Röntgentechnik

Schicht einer Standard 3D-Computertomographie
© Fraunhofer EZRT

Schicht einer Standard 3D-Computertomographie. Bei der Probe handelt es sich um eine mit Kimberlit-Granulat gefüllte 32 mm hohe Aluminiumhülse. In das Kimberlit sind zwei Diamanten von ca. 2,5 mm Durchmesser eingebettet.

Schicht bei Anwendung des Dual Energy-Verfahrens
© Fraunhofer EZRT

Die gleiche Schicht wie im oberen Bild bei Anwendung des Dual Energy-Verfahrens. Während die Diamanten im oberen Bild bezüglich ihres Grauwerts nicht vom umgebenden Material zu unterscheiden sind, ermöglicht die Dual Energy Aufnahme eine deutliche Unterscheidbarkeit (und damit Detektierbarkeit) der Diamanten vom Kimberlit.

Röntgen Dual Energy-Verfahren sind bereits seit langem in der Medizin als Messverfahren und in der Sicherheitstechnik etwa bei der Gepäckprüfung etabliert. Mit den jüngsten Entwicklungen des Fraunhofer EZRT eröffnen sich jedoch interessante Möglichkeiten zur Erweiterung der Anwendungsgebiete, nicht zuletzt auch auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung.

Mittels der Dual Energy-Verfahren des Fraunhofer EZRT lässt sich die Verteilung unterschiedlicher Materialien innerhalb eines Prüfobjekts darstellen und quantifizieren. Sie sind sowohl für Durchstrahlungsaufnahmen (2D) als auch für Aufnahmen mit Röntgen-Computertomographie (3D) anwendbar. So können aus Röntgenbildern Informationen, z. B. für die Materialcharakterisierung, generiert werden. Beispiel sind der Anteil oder das Gewicht eines bestimmten Elements oder Stoffgemisches in einem Prüfobjekt. Weitere mögliche Anwendungsbereiche liegen in der Sicherheitstechnik und Sortierung (sowohl hinsichtlich Mining- als auch Recyclingindustrie).

Bei der Anwendung der Dual Energy-Verfahren wird ausgenutzt, dass die Energieabhängigkeit des sogenannten Absorptionskoeffizienten eines Materials für jedes Material unterschiedlich ist. Das heißt aus energieaufgelösten (»spektralen«) Messungen können die Eingangsdaten zur quantitativen Berechnung der Materialeigenschaften gewonnen werden. In der Praxis geschieht diese energieaufgelöste Messung üblicherweise durch Aufnahme zweier Röntgenbilder bei unterschiedlichen Röntgenspektren. Die anschließende rech¬nerische Verknüpfung dieser beiden Aufnahmen, unter Einbezug von Kalibrierdaten, ermöglicht somit Rückschlüsse auf die Dichte- und Kernladungszahl-Verteilungen im Prüfobjekt.

Im Gegensatz dazu stellen übliche Röntgenaufnahmen mit nur einem Röntgenspektrum mithilfe von Grauwerten lediglich die Abschwächung der Röntgenstrahlung im Prüfobjekt dar. Diese Werte machen zwar die inneren Strukturen sichtbar, lassen aber nur vergleichende Rückschlüsse auf die Objektdichte und Materialart an verschiedenen Stellen innerhalb des Prüfobjekts zu. Ein herkömmliches Röntgenbild enthält daher rein qualitative Werte. »Qualitativ« bedeutet in diesem Zusammenhang, dass anhand der Grauwerte gut erkennbar ist, wie sich zwei Regionen im untersuchten Objekt relativ zueinander verhalten. Im Gegensatz dazu werden bei den Dual Energy-Verfahren »quantitative« Werte – also Messwerte physikalischer Größen – erzeugt.

 

Anwendungsbeispiele

  • Security: Materialunterscheidende Darstellung von Bereichen des Prüfobjekts, bei denen eine herkömmliche Aufnahme mit nur einer Energie trotz unterschiedlicher Materialbestandteile zu ähnlichen Grauwerten führt. Ein Beispiel aus der Sicherheitstechnik ist die Unterscheidung von Sprengstoff und Schokolade in Reisegepäck.
  • Sortierung (Mining/Recycling): Trennung von Materialien z. B. zur Rohstoffrückgewinnung, etwa die Sortierung von Kunststoffen oder die Detektion von Diamanten im umgebenden Wirtsgestein Kimberlit.
  • Sinterung (Grünlinge): Bei Anwendung der CT, dreidimensional ortsaufgelöste Bestimmung physikalischer Dichten und Dichteverläufe im Prüfobjekt bei gleichzeitiger Sichtbarmachung innerer Strukturen und Fehlstellen. Eine mögliche Anwendung ist z. B. die zerstörungsfreie Charakterisierung von Vorprodukten für die Sinterung.