Woord vooraf Mijn speciale dank gaat uit naar het SCK•CEN in Mol, waar ik de gelegenheid kreeg mijn studiestage te voltooien. Ik wil ook mijn dank betuigen aan mijn externe begeleiders, Ing. August Gys (Stafmedewerker op het departement RMO) en Ing. Yves Parthoens (Onderzoeksingenieur op het departement RMO), voor hun bereidwillige hulp. Verder wil ik alle werknemers op het departement waar ik mijn stage heb volbracht bedanken voor de aangename werksfeer en voor hun bereidwilligheid te antwoorden op al mijn vragen. Alsook dank ik de Heer Vic Van Roie, mijn contactdocent. Verder wil ik ook alle docenten van het Hoger Instituut der Kempen te Geel die instonden voor mijn opleiding tot industrieel ingenieur bedanken. Verder wil ik ook een expliciet dankwoord richten tot mijn vriend die mij gedurende het laatste jaar van mijn studie enorm heeft geholpen en gesteund. Tenslotte wil ik mijn ouders, broer en vrienden bedanken voor hun steun en hulp tijdens het volbrengen van mijn studies.
Samenvatting Het eindwerk handelt over een haalbaarheidsstudie van digitale X-stralenradiografie op bestraalde brandstofelementen op het SCK•CEN in MOL. In het eerste hoofdstuk wordt een overzicht gegeven van de werkzaamheden op het SCK•CEN in het algemeen en meer specifiek op het departement RMO en het labo LHMA. In het volgende hoofdstuk wordt een algemene beschrijving gegeven van de industriële Xstralen radiografie. De geschiedenis van de X-stralen komt hier aan bod zowel als de eigenschappen Röntgenstraling. De werking van de X-stralenbuis wordt hier eveneens besproken. In hoofdstuk 3 wordt de werking van het huidige klassieke filmsysteem op RMO beschreven. Er wordt eerst en vooral uitgelegd wat een brandstofnaald is. Dit hoofdstuk bevat ook een beschrijving van de metallurgische hotcel M1 met al zijn toepassingen. Ook de huidige meettechniek wordt hier uitvoerig beschreven. En als laatste wordt er ook enige uitleg gegeven over de klassieke röntgenfilm. In het volgende hoofdstuk wordt de doelstelling en de samenstelling van de ontworpen simulatienaald besproken. Hoofdstuk 5 handelt over de testen die we uitgevoerd hebben op het klassieke filmsysteem. Deze testen zijn kort samengevat het opstellen van de karakteristieke curve, het bepalen van de beste instelling van de X-stralenbron, het bepalen van de resolutie boven de loden tabletten met gaatjes en tenslotte het bepalen van de resolutie boven de koperen draadjes. De resultaten dienen als referentie en vergelijkingspunt voor de performantie van de digitale systemen. In het laatste hoofdstuk worden de verschillende digitale systemen beschreven evenals de testen die we uitgevoerd hebben op deze systemen. Deze testen werden uitgevoerd om een vergelijking te maken met het klassieke filmsysteem en zo een geschikt systeem te zoeken om uiteindelijk het klassieke filmsysteem te vervangen Dit hoofdstuk bevat dan ook een samenvattend overzicht van de geteste systemen met de conclusies.
3
Inhoudsopgave Woord vooraf .........................................................................................................................1 Samenvatting..........................................................................................................................2 Inhoudstafel............................................................................................................................3 Alfabetische lijst van gebruikte symbolen en afkortingen .....................................................6 Lijst met Illustraties................................................................................................................7 Inleiding .............................................................................................................................12 1. Het bedrijf SCK·CEN ..........................................................................................13 1.1 Algemeen .............................................................................................................13 1.2 Departement RMO...............................................................................................15 2. De industriële X-stralenradiografie .....................................................................16 2.1 Geschiedenis ........................................................................................................16 2.2 De X-stralenradiografie in de industrie ...............................................................17 2.3 Opwekken van röntgenstraling ............................................................................18 2.4 Doordringingsvermogen van röntgenstraling ......................................................19 2.5 Flux of fluentietempo van een X-stralenbron ......................................................19 2.6 Belichting of blootstelling ...................................................................................19 2.7 De röntgenbuis.....................................................................................................20 2.7.1 Bouw....................................................................................................................20 2.7.2 Elektronisch circuit..............................................................................................21 2.7.3 Röntgenbuis op het SCK·CEN ............................................................................23 2.7.3.1 Specificaties.........................................................................................................23 2.7.3.2 Oliegekoelde pomp ..............................................................................................26 2.7.3.3 Bedieningspaneel.................................................................................................27 2.8 Opnametechniek ..................................................................................................28 2.8.1 Beeldvorming ......................................................................................................28 2.8.1.1 Foto-elektrisch effect ...........................................................................................28 2.8.1.2 Compton effect ....................................................................................................28 2.8.1.3 Paarvorming.........................................................................................................29 2.8.1.4 Beeldvergroting ...................................................................................................30 2.8.1.5 Beeldonscherpte...................................................................................................30 2.8.2 Verbetering van het beeld ....................................................................................31 2.8.2.1 Strooistraling........................................................................................................31 2.8.2.2 Versterkingsschermen..........................................................................................32 3. Het klassieke filmsysteem ...................................................................................33 3.1 Brandstofnaald.....................................................................................................33 3.1.1 Wat is een brandstofnaald eigenlijk? ...................................................................33 3.2 Meettechniek........................................................................................................35 3.3 Metallurgische hot cel M1 ...................................................................................36 3.3.1 Infrastructuur .......................................................................................................36 3.3.2 De meetbank ........................................................................................................38 3.3.2.1 Mechanisme .........................................................................................................38 3.3.2.2 De filmcassette.....................................................................................................38 3.3.2.3 Het film-rol-systeem............................................................................................39 3.3.2.4 De opslagruimte...................................................................................................40 3.3.2.5 De roltafel ............................................................................................................41 3.4 De röntgenfilm.....................................................................................................42 3.4.1 Het gebruik ..........................................................................................................42
4
3.4.2 3.4.3 3.4.3.1 3.4.3.2 3.4.4 3.4.5 4. 4.1 4.2 4.2.1 4.2.1.1 4.2.1.2 4.2.2 4.2.3 5 5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.5 6 6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.2.1 6.2.2.2 6.2.3 6.2.3.1 6.2.3.2 6.3 6.3.1 6.3.1.1 6.3.1.2 6.3.2 6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.2.1 6.4.2.2 6.4.3 6.4.3.1 6.4.3.2 6.5
Structuur van de röntgenfilm ...............................................................................42 Detailweergave ....................................................................................................43 Geometrische onscherpte.....................................................................................43 Inwendige onscherpte ..........................................................................................44 De karakteristieke curve ......................................................................................45 De "Structurix" röntgenfilms ...............................................................................47 Simulatienaald .....................................................................................................48 Doelstelling..........................................................................................................48 Samenstelling.......................................................................................................48 De eerste vijf tabletten voor contrastbepaling .....................................................48 Attenuatiecoëfficiënt............................................................................................48 De verschillende materialen ................................................................................49 De volgende negen tabletten voor bepaling van de resolutie in het splijtstofmateriaal ................................................................................................50 De laatste 5 tabletten voor bepaling van de resolutie in "lucht"..........................50 Testen van het klassieke filmsysteem..................................................................51 Doelstelling..........................................................................................................51 Karakteristieke curve ...........................................................................................51 Instelling X-stralenbron .......................................................................................62 Stilstaande beelden ..............................................................................................62 Continue beweging ..............................................................................................72 Bepalen van de haalbare resolutie .......................................................................79 Doelstelling..........................................................................................................79 Resolutie boven loden tabletten...........................................................................79 Resolutie boven koperen draadjes .......................................................................83 Besluit ..................................................................................................................85 Testen van de digitale systemen ..........................................................................86 Inleiding...............................................................................................................86 CCD met Fiber-optic ...........................................................................................90 Specificaties.........................................................................................................90 FOS (Fiber-Optic plate with Scintillator) ............................................................91 Types FOS ...........................................................................................................92 FOP (Fiber Optic Plate) .......................................................................................96 Testen.................................................................................................................102 De karakteristieke curve ....................................................................................102 Simulatienaald opmeten met camera .................................................................105 CCD met X-stralen beeldversterker...................................................................121 Proefopstelling...................................................................................................123 X-stralenbuis......................................................................................................123 Beeldversterker ..................................................................................................125 Testen.................................................................................................................128 Optisch gekoppelde CCD ..................................................................................142 Energiespectrum meten .....................................................................................142 Proefopstelling...................................................................................................143 CCD camera specificaties..................................................................................144 Beeldversterker ..................................................................................................147 Testen.................................................................................................................150 Opnames gemaakt met MIN-R scherm .............................................................150 Opnames met Zinksulfide scherm .....................................................................156 Sensor-panel imager ..........................................................................................166
5
6.5.1 6.5.2 6.6 6.6.1 6.6.2
Specificaties.......................................................................................................166 Testen.................................................................................................................169 Bezoek Cadarache .............................................................................................175 Bezoek aan "Het labo voor Refabricatie" van de heer Francis Berdoula ..........175 Bezoek aan "Het labo voor Niet-Destructief Onderzoek STAR" van Mevrouw Brigitte Lacroix .................................................................................175 6.7 Toekomstplannen...............................................................................................176 6.7.1 Firma D ..............................................................................................................176 6.7.2 Firma E ..............................................................................................................181 6.8 Besluit ................................................................................................................183 Bijlage 1: Attenuatiecoëfficiënt van de verschillende materialen......................................184 Besluit ...........................................................................................................................195 Bibliografie.........................................................................................................................196
6
Alfabetische lijst van gebruikte symbolen en afkortingen BR CCD CEA CMOS EURIDICE FOP FOS IAEA LHMA MOX NA QA RMO SCK•CEN
: Belgian Reactor : Charged Coupled Device : Commissariat à l'Energie Atomique : Complementary Metal Oxide Semiconductor : European Underground Research Infrastructure for the Disposal of nuclear waste In a Clay Environment : Fiber Optic Plate : Fiber Optic plate with Scintillator : International Atomic Energy Agency (Internationaal Atoomenergie Agenstschap) : Laboratorium voor Hoge en Middelmatige Activiteit : Mixed OXide fuel (Mengoxiden van uranium en plutonium) : Numerical Aperture : Quality Assurance : Reactormaterialen Onderzoek : Studiecentrum voor Kernenergie • Centre d'Etude de l'energie Nucléaire
7
Lijst met Illustraties Fig. 13.1 Situering SCK•CEN in België Fig. 14.1 De splijtstofcyclus Fig. 17.1 Eerste X-stralen foto Fig. 18.1 Het elektromagnetisch spectrum Fig. 19.1 Proces van ontstaan van karakteristieke X-stralen Fig. 20.1 De röntgenbuis Fig. 22.1 De relatie tussen buisspanning en buisstroom bij verschillende filamentstromen Fig. 23.1 Elektronisch circuit Fig. 24.1 Foto röntgenbuis in hotcel M1 Tabel 24.1 Technische data röntgenbuis ISOVOLT 420/10 Fig. 25.1 Afmetingen van de röntgenbuis op het SCK•CEN Fig. 25.2 Grafiek maximaal vermogen röntgenbuis SCK•CEN Fig. 26.1 De oliegekoelde pomp Fig. 27.1 Het bedieningspaneel Fig. 28.1 Foto-elektrisch effect Fig. 29.1 Compton effect Fig. 29.2 Paarvorming Fig. 31.1 Gevolg van strooistraling: gesluierd beeld Fig. 32.1 Verminderen van de strooistraling Tabel 33.1 Samenstelling Zirconium legering 2 en 4 Fig. 34.1 Brandstofnaald (Afmetingen in mm) Fig. 34.2 X-stralenfoto brandstofnaald Fig. 35.1 Schematische voorstelling X-stralenradiografie in LHMA Fig. 36.1 Compensatiestuk Fig. 37.1 Foto van de voorkant van de metallurgische cel M1 Fig. 39.1 Dwarsdoorsnede van het film-rol-systeem Fig. 40.1 Voorstelling film-rol-systeem Fig. 41.1 Foto van de binnenkant van de metallurgische hotcel M1 Fig. 42.1 Structuur van de röntgenfilm Fig. 44.1 Geometrische onscherpte Fig. 45.1 Karakteristieke curve Fig. 46.1 Karakteristieke curve Fig. 47.1 Assortiment van de Structurix film van Agfa Gevaert Tabel 52.1 Meting karakteristieke curve van röntgenfilm in lucht Fig. 53.1 Röntgenfilm: Karakteristieke curve in lucht (0.1 - 1 mAmin) Fig. 54.1 Röntgenfilm: Karakteristieke curve in lucht (2 - 10 mAmin) Tabel 55.1 Meting karakteristieke curve van röntgenfilm boven inconel buisje Fig. 57.1 Röntgenfilm: Karakteristieke curve boven inconel buisje (0.1 - 1 mAmin) Fig. 58.1 Röntgenfilm: Karakteristieke curve boven inconel buisje (2 - 10 mAmin) Fig. 59.1 Röntgenfilm: Karakteristieke curve boven inconel buisje (12 - 40 mAmin) Fig. 61.1 Grafische tekening van oud en nieuw passtuk Tabel 62.1 Instelling X-stralenbron a.h.v. stilstaande beelden bij 4mAmin Fig. 63.1 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. stilstaande beelden (4 mAmin) Tabel 64.1 Instelling X-stralenbron a.h.v. stilstaande beelden bij 6mAmin Fig. 65.1 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. stilstaande beelden (6 mAmin) Tabel 66.1 Instelling X-stralenbron a.h.v. stilstaande beelden bij 8mAmin Fig. 67.1 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v.stilstaande beelden (8 mAmin)
8
Tabel 68.1 Instelling X-stralenbron a.h.v. stilstaande beelden bij 10mAmin Fig. 69.1 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. stilstaande beelden (10 mAmin) Fig. 72.1 Wiskundige voorstelling principe stappenmotor Tabel 74.1 Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 6.68 mAmin Fig. 74.1 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 6.68 mAmin Fig. 75.1 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 6.68 mAmin Fig. 75.2 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 6.68 mAmin Tabel 75.1 Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 5.33 mAmin Fig. 76.1 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 5.33 mAmin Fig. 76.2 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 5.33 mAmin Fig. 76.3 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 5.33 mAmin Tabel 77.1 Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 2.6 mAmin Fig. 77.1 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 2.6 mAmin Fig. 77.2 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 2.6 mAmin Fig. 77.3 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 2.6 mAmin Fig. 79.1 Röntgenfilm: bepalen van de resolutie boven de loden tabletten bij 2.6 mAmin Fig. 80.1 Röntgenfilm: bepalen van de resolutie boven de loden tabletten bij 2.6 mAmin Fig. 80.2 Röntgenfilm: bepalen van de resolutie boven de loden tabletten bij 2.6 mAmin Fig. 80.3 Röntgenfilm: bepalen van de resolutie boven de loden tabletten bij 5.33 mAmin Fig. 81.1 Röntgenfilm: bepalen van de resolutie boven de loden tabletten bij 5.33 mAmin Fig. 81.2 Röntgenfilm: bepalen van de resolutie boven de loden tabletten bij 5.33 mAmin Fig. 83.1 Röntgenfilm: Resolutie boven koperen draadjes bij 2.6 mAmin Fig. 83.2 Röntgenfilm: Resolutie boven koperen draadjes bij 2.6 mAmin Fig. 83.3 Röntgenfilm: Resolutie boven koperen draadjes bij 2.6 mAmin Fig. 84.1 Röntgenfilm: Resolutie boven koperen draadjes bij 2.6 mAmin Fig. 84.2 Röntgenfilm: Resolutie boven koperen draadjes bij 5.33 mAmin Fig. 84.3 Röntgenfilm: Resolutie boven koperen draadjes bij 5.33 mAmin Fig. 84.4 Röntgenfilm: Resolutie boven koperen draadjes bij 5.33 mAmin Fig. 86.1 CCD met X-stralen image intensifier Fig. 87.1 Optisch gekoppelde CCD Fig. 87.2 CCD met fiber-optic Fig. 88.1 Sensor panel imager Tabel 88.1 Overzicht kenmerken digitale systemen Fig. 89.1 Schematisch overzicht beschikbare ruimte plaatsing digitaal systeem Fig. 90.1 Foto CCD camera C6086 met camera controller C6086-90 Fig. 92.1 FOS (fiber optic plate with X-ray scintillator) Fig. 92.2 Verschillende types van FOS Fig. 93.1 De grootte van de fosfordeeltjes versus de intensiteit Fig. 94.1 De grootte van de fosfordeeltjes versus de resolutie Fig. 94.2 Twee lagen constructie fosfor scherm Fig. 95.1 Absorpiecoëfficiënt van GOS (Gd2O2S:Tb) Fig. 95.2 Stralingsspectrum voor GOS (Gd2O2S:Tb) Fig. 96.1 Vervalkarakteristiek van CSI en GOS (Gd2O2S:Tb) Fig. 97.1 Constructie van de FOP Fig. 97.2 Constructie van de FOP Fig. 98.1 Dead Single methode Fig. 98.2 Dead Single methode Fig. 99.1 De weg van het licht in 'single' fiber Tabel 99.1 Maximale licht ontvangende hoek met bijhorend brekingsindex Fig. 100.1 Koppelen van een FOP op een CCD
9
Fig. 101.1 Gevlamde strepen Fig. 101.2 De gevlamde strepen zijn gereduceerd door de FOP te draaien Tabel 102.1 Meting karakteristieke curve bij 160 kV van digitale camera Tabel 104.1 Meting karakteristieke curve bij 200 kV van digitale camera Fig. 106.1 Cu draadje met diameter 0.2 mm Fig. 106.2 Cu draadje met diameter 0.7 mm Fig. 107.1 Cu draadje met diameter 1.4 mm Fig. 107.2 Cu draadje met diameter 1.8 mm Fig. 107.3 Cu draadje met diameter 2.75 mm Fig. 108.1 Cu draadje met diameter 0.2 mm Fig. 108.2 Cu draadje met diameter 0.7 mm Fig. 108.3 Cu draadje met diameter 1.4 mm Fig. 108.4 Cu draadje met diameter 1.8 mm Fig. 109.1 Cu draadje met diameter 2.75 mm Fig. 109.2 Cu draadje met diameter 0.2 mm Fig. 109.3 Cu draadje met diameter 0.7 mm Fig. 110.1 Cu draadje met diameter 1.4 mm Fig. 110.2 Cu draadje met diameter 1.8 mm Fig. 110.3 Cu draadje met diameter 2.75 mm Fig. 111.1 Cu draadje met diameter 0.2 mm Fig. 111.2 Cu draadje met diameter 0.7 mm Fig. 111.3 Cu draadje met diameter 1.4 mm Fig. 111.4 Cu draadje met diameter 1.8 mm Fig. 112.1 Cu draadje met diameter 2.75 mm Fig. 112.2 Cu draadje met diameter 0.2 mm Fig. 112.3 Cu draadje met diameter 0.7 mm Fig. 113.1 Cu draadje met diameter 1.4 mm Fig. 113.2 Cu draadje met diameter 1.8 mm Fig. 113.3 Cu draadje met diameter 2.75 mm Fig. 114.1 Cu draadje met diameter 0.2 mm Fig. 114.2 Cu draadje met diameter 0.7 mm Fig. 114.3 Cu draadje met diameter 1.4 mm Fig. 114.4 Cu draadje met diameter 1.8 mm Fig. 115.1 Cu draadje met diameter 2.75 mm Fig. 116.1 Loden tablet met gaatje met diameter 2.6 mm Fig. 117.1 Lasnaad van de stop Fig. 118.1 inconel veer Fig. 119.1 Lasnaad Fig. 122.1 Lengtedoorsnede van de simulatienaald Tabel 123.1 Technische data X-stralenbuis ISOVOLT 420/5 Fig. 124.1 Afmetingen X-stralenbuis ISOVOLT 420/5 Fig. 124.2 Grafiek maximaal vermogen X-stralenbuis Fig. 125.1 Image Intensifier/Television System Fig. 126.1 Monitor Fig. 127.1 Dimensies beeldversterker Fig. 128.1 Lengtedoorsnede van de simulatienaald met aanduiding van de verschillende posities Fig. 129.1 Opname simulatienaald positie 1 Fig. 130.1 Opname simulatienaald positie 2 Fig. 131.1 Opname simulatienaald positie 3
10
Fig. 132.1 Opname simulatienaald positie 4 Fig. 133.1 Opname simulatienaald positie 5 Fig. 134.1 Opname simulatienaald positie 6 Fig. 135.1 Opname simulatienaald positie 7 Fig. 136.1 Opname simulatienaald (loden tabletten) Fig. 137.1 Opname simulatienaald (loden tabletten) Fig. 138.1 Opname simulatienaald (loden tabletten) Fig. 139.1 Opname simulatienaald (lasnaad) Fig. 139.2 Opname simulatienaald (lasnaad) Fig. 140.1 Opname simulatienaald (lasnaad) Fig. 143.1 Proefopstelling zonder beeldversterker Fig. 144.1 Proefopstelling met beeldversterker Fig. 144.2 Foto CCD camera Fig. 147.1 Foto beeldversterker Fig. 148.1 Grafiek fosformateriaal Fig. 148.2 Grafiek Fotokathode Fig. 149.1 Afmetingen beeldversterker Fig. 150.1 Opname van veer in naald Fig. 151.1 Opname van veer in de naald Fig. 152.1 Opname van veer in de naald Fig. 153.1 Opname van veer in de naald Fig. 154.1 Opname van lasnaad van de naaldstop Fig. 155.1 Opname van loden tablet met gaatje 1.2 mm Fig. 156.1 Opname van loden tablet met gaatje 1.2 mm Fig. 157.1 Opname van loden tablet met gaatje 1.2 mm: geroteerd en geïnverteerd Fig. 158.1 Opname van koperen draadje diameter 0.7 mm Fig. 159.1 Opname van koperen draadje diameter 1.4 en 1.8mm Fig. 162.1 Behuizing testopstelling Fig. 163.1 Foto beeldversterker Fig. 165.1 Dimensies beeldversterker Fig. 166.1 Foto van de flat panel sensor Fig. 167.1 Blokdiagram flat panel sensor Fig. 168.1 Connectie van de apparatuur Fig. 168.2 Dimensies flat panel sensor (a = 120 mm) Fig. 169.1 Opname van koperen draadje diameter 0.7 mm Fig. 169.2 Opname van koperen draadje diameter 0.7 mm Fig. 170.1 Opname van de lasnaad van de stop Fig. 170.2 Opname van de lasnaad van de stop Fig. 171.1 Opname van de lasnaad van de stop Fig. 171.2 Opname van de lasnaad van de stop Fig. 171.2 Opname van de lasnaad van de stop Fig. 172.2 Opname van loden tablet met gaatje 1.0 mm Fig. 173.1 Opname van de inconel veer Fig. 173.2 Opname van de inconel veer Fig. 176.1 Command Processor and Power Supply Fig. 176.2 Dimensies Receptor Module Fig. 178.1 Dimensies Command Processor Fig. 179.1 Receptor Dimensies power supply Fig. 181.1 Foto beeldversterker Tabel 182.1 visueel overzicht van de uitgevoerde testen op de verschillende digitale systemen
11
Tabel 183.1 Tabel 184.1 Tabel 185.1 Tabel 185.2 Tabel 186.1 Tabel 186.2 Tabel 187.1 Tabel 187.2
Overzicht van de uitgevoerde testen op de verschillende digitale systemen Attenuatiecoëfficiënt van lucht Attenuatiecoëfficiënt van polyethyleen Attenuatiecoëfficiënt van plexiglas Attenuatiecoëfficiënt van aluminium Attenuatiecoëfficiënt van tin Attenuatiecoëfficiënt van koper Attenuatiecoëfficiënt van lood
12
Inleiding Mijn opdracht is een haalbaarheidsstudie uitvoeren omtrent digitale X-stralenradiografie van bestraalde brandstofelementen. Momenteel worden de beelden opgenomen met een klassieke film. Het digitaliseren van dit onderzoek bestaat erin de klassieke film te vervangen door een rechtstreekse of onrechtstreekse digitale beeldvormer. Het digitaliseren van het onderzoek brengt een aantal belangrijke voordelen met zich mee. De resultaten zijn onmiddellijk beschikbaar en kunnen elektronisch verwerkt, gerapporteerd en verstuurd worden. De opgenomen beelden kunnen via digitale filters geoptimaliseerd worden. Contrast - en helderheidsaanpassing en achtergrondcorrectie worden mogelijk. Daarbij kunnen de beelden gedimensioneerd worden. Hier duiken dus een paar problemen op. De digitale techniek heeft reeds zijn intrede gevonden in bepaalde medische toepassingen, maar de omstandigheden van beeldopname voor brandstofelementen wijken echter af van deze van de medische toepassingen: verschillende meetopstelling, X-stralenenergie, achtergrondstraling, fluentietempo (flux), vereiste ruimtelijke resolutie enz. Daarbij is de X-stralenradiografie op RMO geen statische maar een dynamische meettechniek. De te meten objecten zijn namelijk in beweging. Ook dient de gehele techniek implementeerbaar te zijn in de huidige hot cel infrastructuur waarin de onderzoeken dienen plaats te vinden. De doelstellingen van deze haalbaarheidsstudie zijn dan ook: • Studie van de vereiste parameters waaronder de digitale techniek dient toegepast te worden • Studie van de beschikbare systemen op de markt in functie van de vereiste parameters • Studie en evaluatie van het klassieke filmsysteem op RMO • Studie en evaluatie van commerciële digitale systemen • Vergelijking klassiek filmsysteem - digitale systemen • Studie van de nodige stappen om de geschikte systemen te implementeren in de bestaande infrastructuur • Kostprijsanalyse
13
1.
Het bedrijf SCK•CEN
1.1
Algemeen
Het StudieCentrum voor Kernenergie in Mol is een onderzoeksinstelling van openbaar nut voor wetenschappelijk onderzoek inzake veilige en vreedzame toepassingen van kernenergie voor industrieel en medisch gebruik. Het gaat uit van de huidige en toekomstige behoeften en het behoud van maximale veiligheidswaarborgen voor mens en milieu. Daarnaast staat het SCK•CEN in voor een ruime dienstverlening aan de overheid, de industrie, de wetenschappelijke en medische wereld en bevolking.
Fig. 13.1 Situering SCK•CEN in België Het wetenschappelijk onderzoek behelst de verschillende stadia van de nucleaire cyclus. Een volledige nucleaire cyclus bestaat, kort samengevat, uit uraniumontginning of heropwerking uit bestraalde brandstof, productie van splijtbaar materiaal, gebruik in reactor, ontmanteling en uiteindelijke berging en/of heropwerking van radioactief afval. Een kort overzicht van enkele stadia van de nucleaire cyclus vatten de verschillende onderzoeksdomeinen op het Studiecentrum samen. (GOVAERTS, 1999:6,7)
14
Fig. 14.1 De splijtstofcyclus Splijtstof: Via onderzoek wilt men weten hoe splijtstof reageert op een meer langdurige bestraling in de reactor om zodoende het gebruik van slijtsof te optimaliseren. Mengoxiden: MOX is een procédé dat op het SCK•CEN is ontwikkeld in samenwerking met Belgonucléaire. Men zoekt verder naar de beste samenstelling van de bundels volgens de eisen van de klanten, alsook naar de beste bergingsmethode van de bestraalde MOX. Reactorveiligheid: het onderzoek is in hoofdzaak gericht op de bepaling van de veilige levensduur van de kernreactoren. Ook dat dient een economisch en ecologisch doel. Hoe juister de levensduur van kerncentrales wordt bepaald, hoe minder er te bouwen en later te ontmantelen zijn. BR2-Reactor: deze neemt in het onderzoek een belangrijke plaats in. De BR2 is een hoge neutron flux testreactor bij normale atmosferische druk. Dankzij zijn hoge neutronen flux is het mogelijk om voor testdoeleinden een lange periode van bestraling in een commerciële reactor op een relatief korte termijn te simuleren. Hij is zo ontworpen dat onderzoek gepaard kan gaan met de productie van radio-isotopen voor de nucleaire geneeskunde en andere toepassingen. Myrrha: met dit project denkt men al aan de periode na BR2, want een reactor voor materialenonderzoek gaat niet eeuwig mee. Myrrha is een uniek concept. Het koppelt een deeltjesversneller, een subkritisch systeem en een spallatiebron voor onderzoek naar de transmutatie van radioactief afval en de productie van radio-isotopen voor de nucleaire geneeskunde. Stralingsbescherming: De kennis die het Studiecentrum hier over heeft, staat ter beschikking van de overheid en de bevolking via participaties aan Europese programma's. Bescherming van de mens en milieuhygiëne staan centraal. Ontmanteling van reactoren: De ontmanteling van de BR3-reactor geeft de gelegenheid nieuwe procédés uit te testen en de inschatting van de te verwachten blootstelling van de werknemers, afvalproductie en kosten bij toekomstige ontmantelingen te verbeteren.
15
Berging van radioactief afval: De veiligheidsbarrière die in de toekomst zullen voorzien worden rond het opgeslagen radioactief afval worden intensief bestudeerd in laboratoria en in de ondergrond. Hiertoe biedt de beschikbaarheid van een laboratorium in de diepe keilagen (EURIDICE) een unieke troef. De strijd tegen het misbruik van strategische materialen: Het SCK•CEN neemt in naam van de Belgische overheid deel aan de inspanningen van het internationaal Agentschap voor Atoomenergie (IAEA te Wenen) om via technische controles de ongewenste verspreiding van nucleaire splijtstoffen te verhinderen.
1.2
Departement RMO
Mijn stage gebeurde in het laboratorium voor hoge en middelmatige activiteit (LHMA), meer specifiek op het departement Reactormaterialen Onderzoek (RMO). Hier wordt onderzoek gedaan naar de stralingseffecten op reactormaterialen. Meer specifiek een evaluatie van de veroorzaakte veranderingen en de impact hiervan op de functionaliteit. Het verklaren en het modelleren van het gedrag van de materialen is hier ook een onderdeel van. En uiteindelijk wordt er met de verkregen informatie gestreefd naar de optimalisatie van de performantie en de veiligheid. Het departement RMO is dan ook opgesplitst in verschillende onderzoeksdomeinen: mechanische testen, corrosie onderzoek, kuipstaal en fusie onderzoek, splijtstof onderzoek, microstructuur onderzoek, fysico-chemie analyse onderzoek en de bestudering van de specimen. Mijn onderzoek wordt uitgevoerd in het domein van de fysico-chemie analyse waar men nietdestructieve testen doet op brandstofelementen d.m.v. X-stralen radiografie.
16
2.
De industriële X-stralenradiografie
2.1
Geschiedenis
De X-stralen of ook wel röntgenstralen genoemd, werden toevallig ontdekt door de wetenschapper Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) toen die in november 1895 experimenteerde met elektrische ladingen in verdunde gassen, in Wurzburg, Duitsland. Vele wetenschappers van die tijd wilden een beter inzicht krijgen in de werking van elektriciteit, vandaar de kathodestraal experimenten (elektrisch experiment in een gesloten "buis of lamp" waarin een positieve en een negatieve elektrische pool zijn aangebracht). Bij het aanbrengen van een elektrisch veld in zo'n glazen buis (gevuld met een verdund gas) zag W.C.Röntgen dat er een vonk oversprong tussen de beide elektroden van de buis. Er is dus overdracht van "lichtenergie" tussen de twee elektrische polen in de kathodebuis ondanks de afwezigheid van een fysische verbinding (geen draadje) tussen de beide polen (vergelijk dit met een bliksemschicht). Wanneer W.C.Röntgen de druk in de kathodebuis van 750 mmHg (=normale luchtdruk) verlaagde tot 5 mmHg (=bijna vacuüm), ontstond er een blauwachtige vonk tussen de beide elektroden. Bij een nog verdere verlaging van de druk kon hij geen vonk meer zien overspringen. Toch moest diezelfde overspringende "energie" aanwezig zijn, enkel was de frequentie van dit elektromagnetisch verschijnsel gedaald van zichtbaar licht via blauw licht (=kortst frequentste deel van het zichtbaar licht) naar niet zichtbare "straling". Bij toevallige experimenten van W.C.Röntgen waarbij de kathodebuis in de nabijheid stond van een plaat met daarop een bariumplatinacyanzuur verbinding, zag hij dat die plaat "oplichtte" tijden de elektrische ontladingen in de kathodebuis. Bariumplatinacyaanzuur verbindingen werden in die tijd gebruikt om U.V. licht op te sporen. De kathodebuis werd volledig lichtdicht gemaakt en het experiment werd opnieuw uitgevoerd in een verduisterde kamer. Ook in deze omstandigheden "lichtte" het cyaanzuurscherm op. Het was duidelijk dat het "oplichten" van het cyaanzuurscherm gebeurde door straling uitgaande van de kathodebuis, doch deze straling was geen zichtbare straling, geen zichtbaar licht. Deze "onbekende" straling had bovendien een bijzonder doordringingsvermogen. Zij kon door het papier (omhulsel waarin de kathodebuis werd gepakt bij het verduisteringsexperiment) heen toch nog het scherm oplichten. Zij was bovendien instaat om door een hand of vingers heen het skelet af te beelden op het cyaanzuur. (zie Fig. 17.1) Deze figuur is de eerste X-stralenfoto met daarop afgebeeld de hand van zijn vrouw. Hieruit besloot W.C. Röntgen dat er door de elektrische ontladingen in de kathodebuis (onder zeer lage druk of vacuüm), niet zichtbare vonken oversprongen die een onbekende straling genereerden. Deze onbekende straling was verantwoordelijk voor het "oplichten" van de plaat met cyaanzuur. Hij noemde die onbekende straling de "X" straling. Deze onbekende straling had de eigenschap om door glas en papier door te dringen. Hij vond ook dat de ene stof de straling beter doorliet dan de andere. Op 28 december 1895 hield hij zijn eerste voordracht over de ontdekking van X-stralen. Deze ontdekking maakte grote indruk, niet alleen op de fysische, maar ook op de medische wereld. Later werden zowel de "X" stralen als de glazen buis naar hem genoemd. (http://www.fontys.nl/techniek/medtech/rontgen.htm)
17
Fig. 17.1 Eerste X-stralen foto (http://www.fontys.nl/techniek/medtech/rontgen.htm)
2.2
De X-stralenradiografie in de industrie
Een van de meest toegepaste technieken van het niet-destructief materiaalonderzoek is de industriële X-stralenradiografie. Hoewel de radiografie veel later in de industrie ingang vond dan in de geneeskunde, ontwikkelde zij zich vlug tot een gespecialiseerde techniek met eigen bestralingsbronnen om de X-stralen op te wekken en ook eigen röntgenfilms om de beelden vast te leggen. Als bestralingsbronnen worden röntgenapparaten, maar ook radionucliden gebruikt. Beide bronnen zenden stralen uit van dezelfde aard. In het geval van radionucliden spreekt men echter van gammastraling. Röntgenstraling en gammastraling is evenals zichtbaar licht, warmtestralen en radiogolven een straling van elektromagnetische aard (zie Fig. 18.1). Het is opmerkelijk dat de stralingsenergie intermitterend wordt uitgezonden. De stralingsenergie wordt ingedeeld in stralingspakketjes of "quanten". De röntgenstralen worden opgewekt met behulp van een röntgenbuis. Hun energie en intensiteit zijn gewoonlijk regelbaar. Gammastralen zijn elektromagnetische trillingen van identieke aard als X-stralen, enkel de oorsprong is verschillend. Gammastralen ontstaan uit de desintegratie (verval) van atoomkernen van een radioactief element. De energie van de gammastralen is niet regelbaar, zij hangt af van de soort radioactieve bron. De intensiteit van de straling is niet regelbaar, daar het niet mogelijk is de vervalconstante van een radioactief materiaal te beïnvloeden. Evenals röntgenstralen kunnen gammastralen door een absorberend scherm worden verzwakt. (AGFA GEVAERT, 7)
18
Fig. 18.1 Het elektromagnetisch spectrum
2.3
Opwekken van röntgenstraling
Röntgenstralen ontstaan daar, waar elektronen met zeer grote snelheid botsen en dus plotseling geremd worden. Er kunnen twee verschillende soorten stralingen ontstaan nl. remstraling en karakteristieke straling. Remstraling wordt geproduceerd als een elektron zeer dicht langs de kern passeert. Door de sterke coulombinteractie1 tussen het negatieve elektron en het veld van de positieve kern ondergaat het elektron een radiale versnelling waarvoor de energie geput wordt uit de kinetische energie van het elektron. Het gevolg is een tangentiële vertraging. De energie verloren door het elektron verschijnt weer onder de vorm van elektromagnetische straling of remstraling. Remstraling wordt relatief belangrijker bij hoge elektronenenergie. Zeer uitzonderlijk botst het elektron frontaal op een kern en ondergaat het een vertraging tot stilstand in één botsing. Alle (kinetische) elektronenenergie gaat dan verloren in de botsing. Bij voldoende elektronensnelheid, d.w.z. bij voldoende hoge spanning, kunnen in het anodemateriaal zelf elektronen uit hun banen geworpen worden resp. daarop terugspringen, onder uitzending van röntgenstralen van een zeer bepaalde golflengte. Vandaar dus de naam karakteristieke straling, omdat hun energie karakteristiek is voor het atoom dat ze genereert (zie figuur 19.1).
1
Coulombinteractie: de Wet van Coulomb beschrijft de wisselwerking tussen twee puntladingen m.a.w. de krachten die ze op elkaar uitoefenen
19
Fig. 19.1 Proces van ontstaan van karakteristieke X-stralen (SELMAN, 1955:145)
2.4
Doordringingsvermogen van röntgenstraling
Het doordringingsvermogen van röntgen - en gammastralen neemt toe met hun energie. De energie is omgekeerd evenredig met de golflengte. Men noemt stralen 'hard' wanneer de golflengte van de stralen relatief kort is, en 'zacht' wanneer de golflente relatief lang is. Aangezien het product van de golflengte en de frequentie van een elektromagnetische straling gelijk is aan de snelheid van het licht, dat een constante is, kan men dus ook besluiten dat stralen met een hoge frequentie meer energie bezitten dan stralen met een lage frequentie. Hoe hoger de buisspanning, des te groter de snelheid van de elektronen in de buis die zich van de kathode naar de anode verplaatsen, des te groter hun kinetische energie, des te groter de gemiddelde energie in de röntgenstraal en bijgevolg des te groter het doordringingsvermogen van die röntgenstraal. Merk op dat 99% van de energie van de elektronen omgezet wordt in warmte en slechts 1% in karakteristieke straling en remstraling. (AGFA GEVAERT, 9)
2.5
Flux of fluentietempo van een X-stralenbron
Fluentie is het effectief aantal deeltjes of in ons geval het aantal X-stralen dat invalt op een denkbeeldige oppervlakte. De eenheid is (aantal deeltjes/m²). Fluentietempo is het effectief aantal deeltjes of in ons geval het aantal X-stralen dat invalt op een denkbeeldige oppervlakte per tijdseenheid. De eenheid is (aantal deeltjes/m²s). De intensiteit van de elektronenstroom in de buis (buisstroom) wordt uitgedrukt in mA (milliampères). De flux of het fluentietempo van de röntgenstraling is bij benadering recht evenredig met de buisstroom. Het dient te worden opgemerkt dat wanneer de buisstroom constant blijft, een toename van de buisspanning een kwadratische toename van de flux van de röntgenstraling tot gevolg heeft. De maximale spanning bepaalt de maximale snelheid van de elektronen en bijgevolg ook de kortste golflengte die in de stralenbundel voorkomt en dus de maximale energie dat voorkomt in het X-stralenspectrum.
2.6
Belichting of blootstelling
Daar het in de X-stralenradiografie zeer moeilijk is om het juist aantal X-stralen te bepalen dat bijvoorbeeld invalt op een filmoppervlakte kan men in de praktijk niet werken met de
20
grootheden fluentie en fluentietempo. Om in de praktijk toch een waarde te kunnen plakken op het aantal X-stralen dat invalt op een denkbeeldige oppervlakte gaat men werken met de grootheid belichting of blootstelling. Dit is het product van de buisstroom (mA) en de belichtingstijd (min) ingesteld op de X-stralenbuis. De belichting of blootstelling is dus een maat voor het aantal deeltjes of in ons geval het aantal X-stralen dat op een denkbeeldige oppervlakte valt. Belichting of blootstelling blijft voor een film constant bij verschillende: Buisspanning Afstand bron - film Objecten tussen bron en film. De fluentie daarentegen verandert wel. Er is dus een wezenlijk verschil tussen fluentie enerzijds en belichting of blootstelling anderzijds.
2.7
De röntgenbuis
2.7.1 Bouw De elektronen nodig voor de productie van de X-stralen worden vrijgemaakt door verhitting van een gloeidraad (filament), die voor de kathode geplaatst wordt. Er komen meer elektronen vrij naarmate de temperatuur van de gloeidraad groter is. De temperatuur is afhankelijk van de sterkte van de gloeistroom of filamentstroom. De uit de gloeidraad vrijgemaakte elektronen worden aangetrokken door de anode t.g.v. de aangelegde buisspanning tussen kathode en anode. De elektronenstroom tussen gloeidraad en anode heet buisstroom, die wordt uitgedrukt in milliampère (mA) en kan variëren van enkele tienden tot meer dan 1000 mA.
Fig. 20.1 De röntgenbuis (AGFA GEVAERT, 13) Voor het ontstaan van röntgenstraling is het nodig dat de elektronen met voldoende snelheid op het anodemateriaal (trefplaat) botsen. Naarmate de buisspanning tussen kathode en anode groter is, zullen de elektronen met grotere snelheid op de anode slaan en zullen meer röntgenstralen van hogere energie worden opgewekt. Hogere energie betekent: kortere golflengte, hardere straling, groter doordringingvermogen. De kwantiteit is zowel afhankelijk van de spanning als van de buisstroom. Wil de gloeidraad niet voortijdig verbranden en willen de elektronen ongestoord de anode bereiken, dan is het noodzakelijk dat het proces zich in een vacuüm afspeelt. Ook de anode
21
moet aan speciale eisen voldoen. Ten eerste moet het materiaal waarvan zij is vervaardigd een hoog atoomnummer hebben. Hoe hoger het atoomnummer (Z), des te groter de opbrengst aan röntgenstralen. De productie van remstraling is evenredig met Z². Ook moet het smeltpunt hoog zijn want de warmteontwikkeling is zeer groot. Slechts circa 1% van de opvallende elektronenenergie wordt omgezet in röntgenstraling, de rest veroorzaakt warmte. Ten laatste moet de anode de geproduceerde warmte gemakkelijk kunnen afstaan via koeling. Reeds spoedig ontdekte men dat wolfraam bijzonder gunstig anodemateriaal is. Het voldoet goed aan de beide eerste voorwaarden, hoewel minder goed aan de derde, omdat wolfraam warmte slecht geleidt. Dit was vroeger (en is voor kleinere buizen nog wel het geval) een reden om de anode samen te stellen uit een dikke koperen staaf (goede warmtegeleider) met een dun plaatje wolfraam op de plaats waar de elektronen de anode treffen. Het is dus noodzakelijk om de anode te koelen. Dit kan op diverse manieren worden gedaan. koelen door uitstraling. De anode bestaande uit een stuk massief wolfraam wordt witgloeiend door het elektronenbombardement en wordt door uitstraling gekoeld. koeling door convectie. De warmte wordt afgevoerd door een massief koperen anodeschacht (verlengstuk). Het uiteinde van dit verlengstuk bevindt zich in olie of isolerend gas en wordt afgekoeld door natuurlijke of geforceerde convectie. Door convectie wordt echter slechts een beperkte koeling verkregen zodat de intensiteit van de elektronenflux niet te groot mag zijn, tenzij ment de buis slechts met tussenpozen gebruikt. koeling door geforceerde vloeistofcirculatie. In dit geval wordt de warmteafvoer tot stand gebracht met behulp van een vloeistof die direct langs de buitenkant van de anode stroomt. Voor de koeling van dubbelpolige buizen geeft men de voorkeur aan olie vanwege de geringe warmtecapaciteit van deze vloeistof. Voor de koeling van enkelpolige buizen, waarvan de anode geaard is, wordt bij voorkeur water gebruikt. Daar de soortelijke warmte van water veel hoger is dan die van olie, is koeling met water effectiever. De vloeistofcirculatie wordt in het algemeen door een pomp gewaarborgd. (AGFA GEVAERT, 14) De elektronen worden door een elektrisch veld gericht zodat zij op een bepaald deel van de anode terechtkomen. Dit deel van de anode, waar de röntgenstralen van uitgaan, noemen we de focus. De focusgrootte wordt dus bepaald door de grootte van de gloeidraad en door het elektrisch veld om de gloeidraad. Sommige X-stralenbuizen hebben 2 gloeidraden waardoor ze een grote en een kleine focus hebben. (VAN DER PLAATS, 1956:18,19)
2.7.2 Elektronisch circuit Een röntgenbuis wordt meestal eenfasig of driefasig aangesloten op het voedingsnet van 220 V of 380 V, en 50 Hz. Een eerste transformator (autotransformator) doet dienst als spanningsselector. Deze transformator bestaat uit slechts één winding, gewikkeld omheen een ijzeren kern. De hoogspanningstransformator transformeert de uitgangsspanning van de autotransformator naar de gewenste buisspanning. Röntgenbuizen vragen buisspanningen van 50 tot 450 kV. Een voltmeter wordt geplaatst in het laagspanningsgedeelte, maar wordt reeds geijkt in kilovolt voor de buisspanning. De secundaire winding wordt geaard in het midden en wordt daar verbonden met een milliampèremeter voor het meten van de buisstroom. Hierdoor wordt de buisspanning verdeeld over de anode en de kathode. Dit vermindert de kans op doorslag in de röntgenbuis.
22
De aarding van de milliampèremeter heeft het voordeel dat deze op het (geaarde) controlepaneel kan geplaatst worden. Het filament wordt gevoed met ongeveer 10 V wisselspanning. Deze wordt via een spanningsregelaar en een ampèremeter voor het meten van de filamentstroom afgetakt van de transformator die verbonden is met de basisvoeding. Om thermionische emissie op te wekken is een stroomsterkte van 4 à 6 A vereist. Volgende grafiek (zie Fig. 22.1) geeft de verhouding weer tussen de buisstroom en de buisspanning bij verschillende waarden van de filamentstroom If1, If2, If3 en If4.
Fig. 22.1 De relatie tussen buisspanning en buisstroom bij verschillende filamentstromen De filamentstroom (If) zorgt voor het vrijmaken van de elektronen. Bij een zeer lage buisspanning gaan die elektronen die uitgekookt worden door de filamentstroom quasi niet versneld worden en is er dus geen buisstroom. Naarmate de buisspanning toeneemt zullen de elektronen versneld worden en zal de buisstroom toenemen. Op een gegeven punt bij een heel hoge buisspanning zijn alle elektronen versneld. Verdere toename van de buisspanning zal dan geen toename van de buisstroom tot gevolg hebben. Deze buisstroom blijft dan constant en men noemt dit dan ook de verzadigingsstroom voorgesteld door het horizontale gedeelte van de grafiek. Bij filamentstroom If1 zal een toename van de buisspanning een graduele toename van de buisstroom tot gevolg hebben totdat het punt bereikt wordt dat aangeduid is met een pijltje. Daarna zal verdere toename van de buisspanning dus geen toename van de buisstroom tot gevolg hebben. Zoals je op de grafiek kan zien zal de grootte van de buisstroom bepaald worden door zowel de buisspanning als de filamentstroom. Immers bij een toename van de filamentstroom zal de grafiek zich naar boven verleggen. De buis wordt dus eigenlijk gestuurd met de filamentstroom. De hoogspanning is een wisselspanning. Dit wil zeggen dat enkel tijdens de eerste helft van de periode de elektronen aangetrokken worden naar de anode en X-stralen kunnen genereren. Er is echter een tweede nadeel en gevaar verbonden aan de wisselspanning. Tijdens de
23
werking van de buis wordt de anode uiterst heet. Hierdoor gedraagt de anode zich als een filament en produceert vrije elektronen door thermionische emissie. Tijdens de tweede helft van de periode worden deze elektronen teruggekoppeld naar het filament. Aldus wordt het filament vernietigd door elektronenbombardement. In het elektronisch circuit wordt dus een gelijkrichtingsschakeling opgenomen.Om een voldoende hoog fotonenfluentietempo te kunnen produceren, moet de röntgenbuis kunnen werken op een voldoende hoog vermogen. Dit hoge vermogen wordt bij voorkeur geleverd bij een driefasenwerking. In zulk geval is een transformator nodig met drie afzonderlijke primaire windingen.
Fig. 23.1 Elektronisch circuit (SELMAN, 1955:206)
2.7.3 Röntgenbuis op het SCK•CEN 2.7.3.1 Specificaties De röntgenbuis op het departement RMO van het SCK•CEN is er een van het type ISOVOLT 420 / 10 van de firma RICH. SEIFERT & CO. De röntgenbuis is geïnstalleerd in de hotcel M1. Dit type röntgenbuizen wordt vooral gebruikt voor radiografische inspecties van naden en lassen. Deze röntgenbuis heeft een dubbele focus, is bipolair, heeft een oliegekoelde anode en axiale hoogspanningsconnecties. Het is een metaal-keramische buis met een schuin geplaatste anode en een beryllium venster.
24
Fig. 24.1 Foto röntgenbuis in hotcel M1
Tabel 24.1 Technische data röntgenbuis ISOVOLT 420/10 Maximale buisspanning Maximaal vermogen (van de anode) Maximale buisstroom bij maximale buisspanning Grootte van de effectieve focus Inherente filtering Hoogspanningsvoedingsconnectoren Koelvloeistof debiet (olie) Koelvloeistof temperatuur (olie) Koelvloeistof druk (olie) Gewicht Hoek waaronder de X-stralenbundel de buis verlaat Dimensies
2
420 kV grote focus 4200 W 10 mA
Kleine focus 1680 W 4 mA
4.5 mm bij 4.5 mm 7 mm Be2 2 kegelvormige connectoren voor 225 kV min. 17 l/min max. 50°C max. 7 bar 72 kg
1.8 mm bij 1.8 mm 7 mm Be 2 kegelvormige connectoren voor 225 kV min. 17l/min max. 50°C max 7 bar 72 kg
40°
40°
zie Fig. 25.1
zie Fig. 25.1
De lage energiecomponenten in het X-stralenspectrum worden weggefilterd zodat de bundel 'harder' wordt. Bij deze buis gebeurt de inherente filtering door een 7 mm Be-venster en dit komt overeen met een equivalente dikte van 0.5 tot 1 mm aluminium.
25
Fig. 25.1 Afmetingen van de röntgenbuis op het SCK•CEN
Fig. 25.2 Grafiek maximaal vermogen röntgenbuis SCK•CEN
26
Figuur geeft weer wat de maximale instelbare buisstroom mag zijn bij een bepaalde buisspanning. De filamentstroom is maximaal in de piek. Indien je rechts van de piek boven het maximaal vermogen komt is er gevaar voor het doorbranden van de anode. Merk op dat voor lagere buisspanningen het maximaal vermogen niet meer benut kan worden. De reden hiervoor is dat beneden een bepaalde buisspanning de buisstroom beperkt wordt door de beperkende filamentstroom (filamentstroom is maximaal in de piek). Indien men links van de piek boven het maximaal vermogen komt is er dus gevaar voor het doorsmelten van het filament. 2.7.3.2 Oliegekoelde pomp De oliegekoelde pomp wordt aangedreven door een 220 V enkelfasige AC motor. De pomp en de motor zijn gemonteerd als een enkele component.
Fig. 26.1 De oliegekoelde pomp 1. motor 2. protective motor switch 3. olie vergaarbak met wet-pit pomp 4. olie afvoerkanaal 5. olie aanvoerkanaal met flow switch 6. water aanvoerkanaal met solenoid klep 7. water afvoerkanaal 8. temperatuur controle 9. terminal box 10. oil level supervision 11. plastic omhulsel
27
2.7.3.3 Bedieningspaneel Men kan de buisspanning, de buisstroom en andere parameters instellen via een bedieningspaneel waarvan u hieronder een beschrijving vindt.
Fig. 27.1 Het bedieningspaneel 1. sleutel schakelaar 2. controlelampje nestspanning, groen 3. controlelampje koeling, geel 4. controlelampje storingen, geel 5. selectieknop focus 6. selectieknop werkingsmode 7. buisspanning regelaar (kV) 8. spanning attenuator 9. buisstroom regelaar (mA) 10. buis vermogen regelaar 11. blootstellingstijd regelaar 12. display voor de uitlezing van de blootgestelde tijd 13. display voor de uitlezing van de buisspanning (kV) 14. display voor de uitlezing van buisstroom (mA) 15. start knop 16. controlelampje buisspanning 17. stop knop 18. programma kaart schakelaar 19. programma kaart
28
2.8
Opnametechniek
2.8.1 Beeldvorming De intensiteit van een bundel röntgenstalen vermindert wanneer deze door een object gaat. Deze intensiteitsafname wordt bepaald door drie types van interactie met het object (fotoelektrisch effect, Compton effect en paarvorming). Welke interactie optreedt is afhankelijk van de energie van de invallende röntgenstralen en van het bestraalde object. Het gevolg is dat de uittredende bundel op het filmoppervlak zones van verschillende intensiteit vormt die samen het stralingsbeeld vormen. Het na het ontwikkelen van de film verkregen beeld is een negatieve weergave van het stralingsbeeld. (AGFA GEVAERT, 36) 2.8.1.1 Foto-elektrisch effect Wanneer röntgenstralen van relatief lage energie doorheen materialen gaan en een foton een atoom van dit materiaal raakt, kan de totale energie van dit foton gebruikt worden om een elektron van de binnenste elektronenschillen uit het atoom te stoten. Dit verschijnsel wordt het foto-elektrisch effect genoemd.(zie Fig. 28.1) Hierbij wordt het foton volledig gestopt. Het is trouwens dit verschijnsel dat de radiografie mogelijk maakt. Het treedt op zowel in het te onderzoeken voorwerp als in de beeldvormende detector. (AGFA GEVAERT, 43)
Fig. 28.1 Foto-elektrisch effect (AGFA GEVAERT, 43) 2.8.1.2 Compton effect Bij een interactie van de fotonen met vrije of zwak gebonden elektronen uit de buitenste elektronenschillen wordt een gedeelte van de energie overgedragen op die elektronen, die dan uitgestoten worden. Daarbij worden de fotonen afgebogen van de oorspronkelijke invalsrichting en komen minder energierijk uit de botsing te voorschijn. We krijgen een strooiing en energievermindering van de straling.(zie Fig. 29.1) De hoeveelheid strooiing en energieverlies die de fotonenstroom ondergaat, hangt af van de massa van het doorstraalde object, en van de stralingsenergie. Tussen 100 keV en 10 MeV is
29
de stralingsabsorptie overwegend te wijten aan het Compton effect. Het foto-elektrisch effect en de paarvorming zijn minder van belang in deze energieband. (AGFA GEVAERT, 43)
Fig. 29.1 Compton effect (AGFA GEVAERT, 44) 2.8.1.3 Paarvorming Paarvorming treedt alleen op bij zeer hoge energieën (vanaf 1.02 MeV). Fotonen met grote energie kunnen in wisselwerking treden met de kern van het getroffen atoom. De energie van het foton wordt hierbij omgezet in een elektron (e-) en een positron (e+) met beide een kinetische energie.(zie Fig. 29.2) Het ontstane positron heeft maar een korte levensduur en verdwijnt op zijn beurt zeer snel als gevolg van een botsing met een elektron waarbij beide verdwijnen en hun energie geven voor de vorming van twee 0.51 MeV fotonen. Het paarvormingsproces speelt vooral een rol wanneer energierijke fotonen doorheen materialen met hoog atoomgetal gaan. (AGFA GEVAERT, 44)
Fig. 29.2 Paarvorming (AGFA GEVAERT, 44)
30
2.8.1.4 Beeldvergroting Aangezien de röntgenstralen uitgaan van een zo klein mogelijk gehouden lichtbron, het focus, gebeurt de afbeelding van een object volgens de wetten van de centrale projectie. Het object dat zich in de divergerende stralenbundel bevindt, werpt als het ware een schaduw op het projectievlak en wordt in het algemeen vergroot afgebeeld. De juiste berekeningen van deze vergroting vindt u in § 5.3.2 2.8.1.5 Beeldonscherpte Röntgenbuizen produceren vanwege de eindige afmetingen van de focus altijd een bepaalde "geometrische onscherpte" Ug. De grootte van deze onscherpte wordt gegeven door de volgende vergelijking: Ug = (b x d) / (FFD-d)
Formule 30.1 Geometrische onscherpte
b = effectieve focus d = afstand film tot naald FFD = afstand bron tot naald + d Dus door de bron - naald afstand zo groot mogelijk te kiezen maak men de geometrische onscherpte zo gering mogelijk. Om echter te lange belichtingstijden te vermijden zal men de stralingsbron niet meer dan 1 m van het object plaatsen. Bij de opstelling van het SCK•CEN is deze afstand instelbaar van 465 tot 900 mm Men moet er ook naar streven de afstand tussen de naald en de film tot een minimum te beperken. Deze afstand staat echter vast bij de opstelling van het SCK•CEN nl op 185 mm wegens de tussenliggende loden afscherming. Men moet er ook voor zorgen dat de focus zo klein mogelijk is. Op het SCK•CEN is de kleinst mogelijke effectieve focus 1.8 bij 1.8 mm. Meer uitleg en de juiste berekeningen van deze geometrische onscherpte vindt u in § 3.3.3.1.
31
2.8.2 Verbetering van het beeld 2.8.2.1 Strooistraling
Fig. 31.1 Gevolg van strooistraling: gesluierd beeld (AGFA GEVAERT, 37) Het stralingsbeeld wordt vaak ongewenst beïnvloed door de strooistraling t.g.v. het Compton effect, die toeneemt met de dikte van het te onderzoeken object. De strooistraling zal de film sluieren en de foutwaarneembaarheid verminderen. Daar de strooistraling, die lager is van energie, minder doordringend is dan de primaire straling kan zij worden onderschept door een metalen filter voordat zij de röntgenfilm bereikt. De strooistraling afkomstig van onder de film gelegen objecten kan door middel van een beschermende loodfolie worden onderschept. De achterzijde van een cassette bevat vaak een loodfolie.(zie Fig. 31.1) (AGFA GEVAERT, 37) De sluier te wijten aan strooistraling op de film kan op 2 manieren worden verminderd. Ten eerste door de röntgenstralenbundel tot een strikt minimale grootte te reduceren. Hiervoor gebruikt men een diafragma en/of een stralingsbegrenzer, die aan het stralingsvenster van de röntgenbuis wordt bevestigd. Zo vermijdt men, voor zover het mogelijk is, dat de primaire straling verstrooid wordt door een ander voorwerp dan het te röntgenen object. Men kan de sluier ook verminderen door het gebruik van maskers. Deze bestaan dikwijls uit een loden plaat die het te röntgenen object omvat.(zie Fig. 32.1) (AGFA GEVAERT, 38)
32
. Fig. 32.1 Verminderen van de strooistraling (AGFA GEVAERT, 38)
2.8.2.2 Versterkingsschermen De intensiteit van de fotografische werking van röntgen of gammastraling is afhankelijk van de door de gevoelige lagen van de film geabsorbeerde hoeveelheid stralingsenergie. Slechts ongeveer 1% van de straling wordt door de film geabsorbeerd. De overige straling gaat door de film heen en wordt niet gebruikt. Daarom wordt de film tussen twee versterkingsschermen geplaatst. Deze gaan onder inwerking van röntgen - of gammastralen oplichten (fluorescentieschermen) of zenden elektronen uit (loodversterkingsschermen), waardoor een extra fotografisch effect wordt verkregen. De loodschermen vermeerderen bovendien de absorptie van strooistraling, waardoor dus de detailweergave wordt verbeterd. Naast de fluorescentieschermen en loodschermen bestaan er ook nog fluoro-metallische schermen, die eigenlijk een combinatie zijn van beide en de voordelen van de loodschermen en fluorescentieschermen in zekere zin verenigen. (AGFA GEVAERT, 39)
33
3.
Het klassieke filmsysteem
De radiografie van brandstofelementen wordt uitgevoerd om informatie te verschaffen aangaande volgende punten: • • • • • •
3.1
Interne dimensies van het brandstofelement Verplaatsing van en breuken in de brandstoftabletten Belangrijke dichtheidsveranderingen in het brandstofmateriaal Status van de uitholling van de tabletten en veranderingen in de openingen tussen de tabletten Verdeling van de warmte (thermische) spanning scheuren in de brandstoftabletten Configuratie en extensie van het centrale brandstofkanaal
Brandstofnaald
3.1.1 Wat is een brandstofnaald eigenlijk? De meeste brandstofnaalden bestaan uit een Zirconium legering 2 of 4 buis met een buitendiameter van ongeveer 10 mm en met aan weerszijden een Zirconium legering 2 of 4 stop. De samenstelling van deze Zirconium legering 2 en 4 vindt u terug in tabel 33.1. In deze buis zitten brandstoftabletten die vastgezet worden door een veer om ze op hun plaats te houden. De veer is gemaakt van inconel3. De brandstof bestaat in de meeste gevallen uit uraniumdioxide (UO2) of een mengsel van uraniumdioxide en plutoniumdioxide (U,Pu)O2 of kortweg MOX. De brandstoftabletten hebben een dichtheid van ongeveer 10.5 g/cm³. Tabel 33.1 Samenstelling Zirconium legering 2 en 4 (FROST, 1982:82)
Sn (tin) Fe (ijzer) Cr (chroom)
Zirconium legering 2 1.50 0.15 0.10
Zirconium legering 4 1.50 0.20 0.10
Bij de productie van elektriciteit in een kern reactor ondergaat de brandstof een fissie waarbij uranium opgesplitst wordt in kleinere atomen. De energie die hierbij vrijkomt onder de vorm van warmte wordt via heet water (tot 300°C) afgevoerd en omgezet in stoom voor het aandrijven van turbines. Gedurende de fissie is de brandstofnaald onderhevig aan grote thermische spanningen. Daarbij zijn bij bepaalde reactoren de naalden onderhevig aan een buitendruk tot ongeveer 150 bar. De binnenkant van de brandstoftabletten kan tot 2000°C in temperatuur oplopen.
3
Inconel is een legering. De samenstelling hiervan is 76% Ni (nikkel), 17% Cr (chroom) en 7% Fe (ijzer). Het soortelijk gewicht van inconel is 8.25 g/cm³.
34
Fig. 34.1 Brandstofnaald (Afmetingen in mm)
Fig. 34.2 X-stralenfoto brandstofnaald
35
3.2
Meettechniek
Aangezien brandstofelementen een hoge dichtheid (10.5 g/cm³) hebben, heb je X-stralen met een hoge energie nodig om deze te belichten. We spreken hier van een maximale energie van 400 keV. De meettechniek die hiervoor gebruikt wordt is geen statische maar een dynamische waarbij de brandstofnaald en de film in beweging zijn.
Fig. 35.1 Schematische voorstelling X-stralenradiografie in LHMA Op figuur 35.1 ziet u bovenaan de X-stralenbron die het brandstofelement belicht. Om een volledige brandstofnaald te kunnen meten, bewegen de brandstofnaald en de film gelijk van links naar rechts met een snelheid van ongeveer 12 mm/min. Deze snelheid is instelbaar. De film verplaatst zich op een iets hogere snelheid om de beeldvergroting ten gevolge van de divergerende X-stralenbundel te compenseren. De film willen we vervangen door een digitaal systeem. In plaats van te scannen aan een constante beweging kan men de brandstofnaald en de film ook scannen in verschillende stappen. Doordat de X-stralenbundel gecollimeerd is, kan enkel 10 mm van de brandstofnaald bestraald worden per stap. Om een voldoende belichting van het beeld te krijgen moet de brandstofnaald en de film per stap ongeveer 1 min bestraald worden. De brandstofnaald zendt gammastraling uit. Daarom is er tussen de naald en de film een afscherming aanwezig die ervoor zorgt dat de film niet voortdurend blootgesteld wordt aan deze gammastraling. Bij de radiografie van brandstofnaalden en andere objecten met grote dikteverschillen is er nog een bijkomend probleem. Zou men deze objecten gewoon bestralen en de uittredende straling op een film laten vallen dan zal de film onder de dunste stukken van het object overbelicht worden en de film onder de dikste stukken zal onderbelicht zijn. Aangezien de brandstofnaald een cirkelvormige doorsnede heeft, zou bij bestraling de film een overmatige zwarting vertonen aan de rand van de brandstofnaald. Om van de brandstofnaald toch een goede radiografie te maken omringd men tussen de brandstofnaald met een tweede homogeen absorberend compensatiestuk dat de straling die door dunnere stukken gaat extra verzwakt. . Door een compensatiestuk (zie Fig. 36.1) te gebruiken, wordt de film over de volledige cirkelvormige doorsnede met een zelfde intensiteit aan X-stralen belicht.
36
Om deze problemen te voorkomen, zou het materiaal van het compensatiestuk ongeveer dezelfde dichtheid moeten hebben als de brandstoftabletten (MOX: ongeveer 10.5 g/cm³). Materialen die hiervoor in aanmerking komen zijn lood Pb (11.34 g/cm³), koper Cu (9.5 g/cm³) of ijzer Fe (7.85 g/cm³). Lood is een moeilijk materiaal om te bewerken zodat koper of staal te verkiezen zijn. Wanneer koper en staal gebruikt worden als compensatiestuk echter vertonen ze een buitensporige massa attenuatie (zie § 4.2.1.1) verschil t.o.v brandstof. Dit moet gecompenseerd worden door een speciale geometrie. Dit kan gebeuren door een halfcirkelvormige cut-out te maken in de top.
Fig. 36.1 Compensatiestuk
3.3
Metallurgische hot cel M1
3.3.1 Infrastructuur De X-stralenradiografie op brandstofelementen wordt op RMO uitgevoerd in een zogenaamde warme cel (metallurgische hot cel M1) om de mensen en de omgeving te beschermen tegen ioniserende straling. Deze ioniserende straling worden voortgebracht door de brandstofnaalden en door de röntgenbuis. De voornaamste soorten radioactieve straling zijn alfa, beta, gamma en neutronenstraling. Alfastraling bestaat uit deeltjes met een relatief lage snelheid en een grote massa. Ze worden reeds geabsorbeerd door enkele centimeters lucht of enkele micrometers metaal. Betastraling heeft een groter doordringingsvermogen (enkele meters in lucht) maar kan nog geabsorbeerd worden door enkele millimeters metaal. Gamma straling heeft echter een veel groter doordringinsvermogen en om deze tegen te houden gebruikt men afscherming van materialen met een grote dichtheid zoals lood of beton. Hiervan zijn enkele centimeters nodig om de straling met één tiende te verminderen.
37
Een warme cel bestaat dan ook uit twee verschillende afschermingen. De binnenste afscherming bestaat uit roestvrij staal en is luchtdicht. Deze afscherming wordt door een ventilatiesysteem op onderdruk gehouden om te voorkomen dat er radioactief stof naar buiten komt. De tweede afscherming is veel dikker (1 m) en bestaat bij de metallurgische cel uit beton waar loodkorrels verwerkt zijn om de absorptie van de gammastraling te verhogen. Om in de cel te kunnen kijken zijn er vensters in aangebracht. Deze vensters bestaan uit loodglas en zijn zodanig dik dat de straling voldoende wordt afgeschermd.
Fig. 37.1 Foto van de voorkant van de metallurgische cel M1 De handelingen die in de cel uitgevoerd worden gebeuren met manipulatoren. Dit zijn mechanische armen die zodanig geconstrueerd zijn dat het gedeelte binnen de cel dezelfde beweging uitvoert als het gedeelte buiten de cel, dat door de operator bediend wordt. Aan het gedeelte binnen de cel is een grijptang bevestigd die zich sluit als de operator met zijn hand twee hefbomen dichtknijpt. Om grote verplaatsingen binnen de cel te maken zonder dat de operator grote bewegingen moet maken kan de positie van de arm binnen de cel met elektrische motoren verplaatst worden t.o.v. de arm buiten de cel.
38
3.3.2 De meetbank 3.3.2.1 Mechanisme In de cel M1 staan er drie meetbanken. Meetbank 1 is uitgerust om het spectrum van de gammastraling die uitgezonden wordt door de brandstofstaven op te meten en te analyseren. Deze meetbank is ook uitgerust met Eddy Current probes voor het opmeten van defecten in de huls van de brandstofnaald en de oxidedikte op de huls. De tweede meetbank wordt gebruikt om nauwkeurig de lengte en de diameter van brandstofnaalden te bepalen. Meetbank 3 wordt gebruikt voor radiografie van brandstofstaven. Deze meetbank heeft ook de mogelijkheden om lengtemetingen uit te voeren. De meetbank bestaat uit twee horizontale ronde staven waarover een wagen beweegt. Deze beweging wordt aangestuurd door een stappenmotor. Op de wagen is een klauwplaat bevestigd waarin de ronde brandstofnaald geklemd kan worden. D.m.v. deze wagen kan de brandstofnaald onder de X-stralenbron door bewegen. Aan de linkerkant van de wagen is een hefboom bevestigd die een microschakelaar indrukt indien de wagen tijdens de beweging ergens tegenaan zou lopen. Deze microschakelaar geeft direct een signaal aan de controller van de stappenmotor zodat deze de beweging ogenblikkelijk stopt en geen nieuwe commando's meer uitvoert tot de blokkering is weggenomen. Door de lengte van sommige brandstofnaalden zouden deze doorbuigen als ze alleen in de klauwplaat zouden vastgeklemd worden. Daarom zijn er langs de hele meetbank op regelmatige afstanden in totaal twaalf ondersteunende wieltjes voorzien. 3.3.2.2 De filmcassette De film kan op twee verschillende manieren onder de stralingsbron door bewegen. (zie Fig. 39.1) De eerste manier is de film in een ongeveer twee meter lange cassette te leggen die op zijn beurt op een slede komt te liggen. Deze slede verplaatst zich door een tunnel systeem onder de naald.
39
Fig. 39.1 Dwarsdoorsnede van het film-rol-systeem 3.3.2.3 Het film-rol-systeem Met de filmcassette kan geen radiografie gemaakt worden van lange brandstofnaalden omdat de lengte van de cassette maar 2 m is. Om van de langere brandstofnaalden toch een radiografie te maken is er een film-rol-systeem geïnstalleerd onder de meetbank in de kelder. (zie Fig. 39.1 en Fig. 40.1) De film bevindt zich opgerold op de onderste filmrol A en wordt dan via enkele rolgeleiders naar een trommel geleid die aangedreven wordt door een stappenmotor. Vandaar gaat de film omhoog tot over een geleider die zich onder de tunnel van de cassetteslede bevindt. Deze geleider kan door een persluchtsysteem omhoog gebracht worden tot in de tunnel zodat de film bestraald kan worden. Van deze bovenste geleider wordt de film dan terug naar beneden geleid waar hij op een tweede filmrol B gewikkeld is.
40
Fig. 40.1 Voorstelling film-rol-systeem 3.3.2.4 De opslagruimte In de cel zijn altijd radioactieve bronnen aanwezig die als referentie voor bepaalde metingen gebruikt worden. Ook de te onderzoeken brandstofnaalden blijven gedurende langere tijd in de cel omdat ze meerdere testen moeten ondergaan. De materialen die in de cel gebruikt zijn kunnen deze straling niet onbeperkt verdragen. De kunststofisolatie van de elektrische bekabeling en de kunststof persluchtleidingen worden bijvoorbeeld zo bros dat ze gaan breken. Om de schade door straling aan de apparatuur
41
zoveel mogelijk te beperken moeten deze stralingsbronnen afgeschermd worden gedurende de tijd dat ze niet nodig zijn of onderzocht worden. Het telkens buiten de cel brengen en opslaan in speciale containers is veel te omslachtig en tijdrovend. Daarom is achteraan in de cel een opslagruimte gebouwd. (zie Fig. 41.1) Dit is een volledig afgeschermde ruimte met bovenaan een door een motor bediende loden deur. Als de deur open is dan kan met een andere motor een wand naar boven gebracht worden. Op deze wand zijn haken bevestig waarin men met de manipulatoren de brandstofnaalden en andere radioactieve bronnen kan leggen. Als de wand terug volledig in de opslagruimte gezakt is en de deur gesloten wordt dan is de rest van de cel afgeschermd van de straling.
Fig. 41.1 Foto van de binnenkant van de metallurgische hotcel M1 3.3.2.5 De roltafel (Fig. 41.1)In de cel is een tafel voorzien waarop men de brandstofnaalden, of andere objecten waar met de manipulatoren aan gewerkt moet worden, kan opleggen. Deze tafel beslaat de hele breedte van de cel en kan over de meetbanken heen verplaatst worden van achteraan tot vooraan in de cel. Vanwege de grote massa van deze tafel zijn er twee stappenmotoren nodig om deze verplaatsing uit te voeren.
42
3.4
De röntgenfilm
3.4.1 Het gebruik Het rationeel gebruik van een röntgenfilm veronderstelt een voldoende kennis van de sensitometrie. De sensitometrie is de wetenschap die zich bezig houdt met de bestudering van de fotografische eigenschappen van een film evenals van de methoden die het mogelijk maken deze te meten. Het verband dat bestaat tussen de fotografische zwarting op de film en de belichting waardoor deze is ontstaan, wordt in de sensitometrie voorgesteld door een curve die men "karakteristieke curve" noemt. (AGFA GEVAERT, 83)
3.4.2 Structuur van de röntgenfilm Een röntgenfilm bestaat uit zeven lagen: • Een drager van cellulosetriacetaat op polyester (Fig. 42.1 → d) • De twee zijden van de drager zijn elk voorzien van: Een harde gelatinelaag die de emulsie beschermt (Fig. 42.1 → a) Een emulsielaag (Fig. 42.1 → b) Een bijzonder dunne laag, substratum genoemd, die de binding tussen de emulsielaag en de drager verzekert. (Fig. 42.1 → c) Een röntgenfilm bevat dus twee emulsielagen. Dit heeft een hoge gevoeligheid en contrastrijke beelden tot gevolg.
Fig. 42.1 Structuur van de röntgenfilm (AGFA GEVAERT, 83) De fotografische emulsie die films bedekt is hoofdzakelijk opgebouwd uit een mengsel van gelatine en microscopische kleine zilverhalogenidekristallen. Voor het ontwikkelen en het fixeren vertoont de emulsielaag van een röntgenfilm een lichtgroene kleur. Wanneer een lichtbeeld of stralingsbeeld op een lichtgevoelige laag wordt geprojecteerd, ondergaat deze een verandering op de plaatsen die een voldoende hoeveelheid licht of straling ontvingen. Uiterst kleine deeltjes van de zilverhalogenidekorrels worden in zilver omgezet. Deze metaalsporen zijn zo klein dat de lichtgevoelige laag ogenschijnlijk onveranderd blijft. Toch vormen zich op de plaatsen die door een grote hoeveelheid licht (of straling) zijn getroffen een groot aantal van zulke sporen, terwijl op de plaatsen waar het licht (of straling) minder sterk heeft ingewerkt zij minder talrijk zijn. Op deze manier wordt tijdens de opname een volledig hoewel nog onzichtbaar beeld in de lichtgevoelige laag gevormd. Dit beeld wordt latent beeld genoemd.
43
De ontwikkeling is dan de behandeling waardoor het latente beeld in een zichtbaar beeld wordt omgezet. Om dit te bereiken worden de kristallen in de emulsie verder tot zilver (zwart) gereduceerd. Talrijke chemische producten zijn in staat zilverhalogenide tot zilver reduceren. Deze producten worden "ontwikkelstoffen" genoemd. (AGFA GEVAERT, 85)
3.4.3 Detailweergave Drie factoren bepalen de detailweergave: Geometrische factoren: afmetingen van de focus, afstand bron - naald en afstand naald - film De eigenschappen van de film: korreligheid, contrast, sluier, inwendige onscherpte De kwaliteit van de gebruikte straling Het is niet mogelijk hier al deze factoren te behandelen. Enkele ervan willen wij echter toch even in het kort bespreken
3.4.3.1 Geometrische onscherpte Röntgenbuizen produceren vanwege de eindige afmetingen van de focus altijd een bepaalde "geometrische onscherpte" Ug. (zie Fig. 44.1) De grootte van deze onscherpte wordt gegeven door de volgende vergelijking: Ug = (b x d) / (FFD-d)
Formule 43.1 Geometrische onscherpte
b = effectieve focus d = afstand film tot naald FFD = afstand bron tot naald + d Dus door de bron - naald afstand zo groot mogelijk te kiezen maak men de geometrische onscherpte zo gering mogelijk. Om echter te lange belichtingstijden te vermijden zal men de stralingsbron niet meer dan 1 m van het object plaatsen. Bij de opstelling van het SCK•CEN is deze afstand instelbaar van 465 tot 900 mm Men moet er ook naar streven de afstand tussen de naald en de film tot een minimum te beperken. Deze afstand staat echter vast bij de opstelling van het SCK•CEN nl op 185 mm wegens de tussenliggende loden afscherming. Men moet er ook voor zorgen dat de focus zo klein mogelijk is. Op het SCK•CEN is de kleinst mogelijke effectieve focus 1.8 bij 1.8 mm. Als je de bron dus op zijn maximum (900 mm) krijg je een geometrische onscherpte van: Ug = 1.8 x 185/900 = 0.37 mm
44
Op het SCK•CEN werken we meestal met de bron op een afstand van 740 mm van de naald. De geometrische onscherpte die we dan bekomen is: Ug = 1.8 x 185/740 = 0.45 mm
Fig. 44.1 Geometrische onscherpte De geometrische onscherpte Ug is dus een maat voor de vermindering van scherpte van de rand van het belichte object. Op de film geeft dit een overgangszone weer tussen wit en zwart. 3.4.3.2 Inwendige onscherpte De röntgenstraling, die in een fotografische emulsie dringt, maakt elektronen vrij. Deze worden in alle richtingen verspreid. De zilverhalogenidekristallen die door deze elektronen worden getroffen, worden in een staat gebracht waardoor ze ontwikkeld kunnen worden. Het gevolg is dat tijdens het ontwikkelen van een door röntgenstraling belichte film zilverkorrels worden gevormd; niet alleen op de plaatsen waar de belichte delen gelegen gebied. Dit gebied wordt "inwendige onscherpte" genoemd. De grootte ervan wordt bepaald door de afstand die de vrijgemaakte elektronen in de emulsie afleggen. Deze is weer afhankelijk van de energie van de röntgenstralen. Grootteorde van deze inwendige onscherpte is +/- 0.2 mm, hetgeen ongeveer de scherpte waarneembaarheidsgrens van het oog is. (AGFA GEVAERT, 54)
45
3.4.4 De karakteristieke curve De densiteit4 (zwarting) die in een fotografische emulsie verkregen wordt, verandert niet steeds in dezelfde verhouding als de gebruikte belichting. De verhouding tussen de verschillende belichtingen en de zwartingen die ze veroorzaken wordt het duidelijkst uitgedrukt in de vorm van een curve die men karakteristieke curve noemt. Men verkrijgt deze curve door een reeks opeenvolgende velden van een strook emulsie toenemende belichtingen te geven, ieder van hen gelijk aan de voorgaande vermenigvuldigd met een constante. Na ontwikkeling meet men (met een densitometer) de verkregen densiteiten en men zet deze uit als functie van de logaritmische relatieve waarden van de overeenkomstige belichting. Vervolgens verbindt men de verkregen punten. Er dient opgemerkt te worden dat zowel de xas als de y-as volgens logaritmische schaal is verdeeld. (AGFA GEVAERT, 88)
Fig. 45.1 Karakteristieke curve (MULDER/VAN VOORTHUISEN,1985:16) Aan zo'n curve kan men onderscheiden: (zie Fig. 45.1) 1. Het horizontale deel, dit deel ligt beneden de drempelwaarde waarbij zwarting begint op te treden. De geringe zwarting berust op ontwikkelsluier. De drempel is het punt waar de karakteristieke curve omhoog begint te buigen, waarboven de belichtingsenergie pas een zwartingstoename teweegbrengt. 2. De voet, het gedeelte waarin de curve van horizontaal naar boven ombuigt. 3. Het rechte, steil oplopende gebied. 4. De schouder, waarin toename van belichting minder toename van zwarting veroorzaakt. 4
Densiteit:Wanneer men een fotografisch beeld bij doorgelaten licht bekijkt ziet men dat het is samengesteld uit verscheidene velden met verschillende lichtintensiteit, afhankelijk van de plaatselijke densiteit van de emulsielaag. De decimale logaritme van de verhouding intensiteit van het opvallend licht / intensiteit van het doorgelaten licht noemt men fotografische densiteit (of zwarting, symbool D)
46
5. Het solarisastiegebied, waarin toename van de belichting een afname van de zwarting veroorzaakt. Aangezien we vaak te doen hebben met geringe contrasten5 die we toch duidelijk willen afbeelden, wordt een emulsie gekozen met steile gradatie (steil oplopen van het rechte deel van de curve). De beste contrasten krijgt men in het rechte deel van de curve. In het gebied van de voet veroorzaken gelijke verschillen in stralingsenergie (a = b) geringe zwartingsverschillen in het rechte deel (b' >a'). (zie Fig. 46.1) Wanneer een foto onderbelicht is, komen we terecht in dit laatste gebied en hebben we dus een contrastarme foto. De ontwikkelsluier van een onbelichte film mag op zijn hoogst een zwarting van 0.2 hebben. De film wordt vrijwel ondoorzichtig bij een zwarting van 3.5. De bruikbare zwarting van de röntgenfilm ligt tussen 0.5 en 2. De belichting van de foto zal erop afgestemd moeten zijn om het interessante deel van het object binnen deze waarden te brengen. Dit kan men ofwel doen door bij een bepaalde spanning de belichtingswaarde te variëren, ofwel door de spanning aan te passen, of door beide te wijzigen.
Fig. 46.1 Karakteristieke curve (MULDER/VAN VOORTHUISEN,1985:17)
5
Contrast: het verschil in zwarting
47
3.4.5 De "Structurix" röntgenfilms De industriële röntgenfilms van Agfa-Gevaert dragen de generieke benaming "Structurix". De benamingen van de verschillende soorten Structurix films onderscheiden zich door de letter en het cijfer die aan de benamingen zijn toegevoegd, bijv Structurix D4. Het assortiment van de Structurix films volgt hieronder. Op RMO gebruiken we de Structurix D7 film.
Fig. 47.1 Assortiment van de Structurix film van Agfa Gevaert (AGFA GEVAERT, 126) Een belichtingsfactor van 2 bij D5 wilt zeggen dat men deze film dubbel zo lang moet belichten als de film D7 om hetzelfde contrast te bekomen. Een "snelle" film heeft grove korrels en is gevoelig, maar heeft een lage resolutie en is dus minder scherp. Ook het contrast is hier minder. Een "trage" film heeft fijne korrels en is dus minder gevoelig maar heeft een betere resolutie. Het nadeel is dan wel dat men de film langer moet belichten.
48
4.
Simulatienaald
4.1
Doelstelling
Om verschillende digitale systemen te evalueren en te vergelijken met het klassieke filmsysteem zonder steeds gebruik te moeten maken van een echte brandstofnaald, werd er een simulatienaald ontworpen. Dit maakt ook testen buiten het SCK•CEN mogelijk. Het technisch ontwerp van deze simulatienaald kan je vinden op volgende pagina.
4.2
Samenstelling
De simulatienaald bestaat uit een Zirconium legering 4 huls met aan weerszijde een Zirconium legering 4 stop waarin tabletten uit verschillende materialen zitten die vastgezet worden door een inconel veer om ze op hun plaats te houden. De buiten - en binnendiameter van de huls zijn respectievelijk 10.75 mm en 9.3 mm. De naald heeft een totale lengte van 408 mm. Behalve de tabletten zijn dit dezelfde materialen als gebruikt bij echte brandstofnaalden. Elk tablet heeft een nominale lengte van 5 mm en een diameter van 9.3 mm. De eerste vijf tabletten zijn vervaardigd uit materialen met verschillende attenuatiecoëfficiënt. Dit om het contrast te bepalen. De volgende negen zijn loden tabletten waarin volgens de lengte as van de naald gaatjes gemaakt zijn met diverse diameters: 1.0 - 1.2 - 1.4 - 1.6 - 1.8 - 2.0 - 2.2 - 2.4 - 2.6 mm. Deze worden gebruikt om na te gaan of centrale gaten in tabletten kunnen gereproduceerd worden en om de resolutie in het splijtstofmateriaal te bepalen. De laatste vijf zijn tabletten van PVC met daarin koperen draadjes met verschillende diameters: 0.2 - 0.7 - 1.4 - 1.8 - 2.75 mm. Deze worden gebruikt om de resolutie te bepalen in 'lucht". Hier werd gebruik gemaakt van PVC omdat dit praktisch de enige oplossing was om de koperen draadjes in de naald te plaatsen en omdat dit het dichtst nadert bij lucht qua massadichtheid. De samenstelling van de simulatienaald is experimenteel. Uit testen zal bijvoorbeeld moeten blijken of de diameter van de gaatjes eventueel kleiner dienen gemaakt te worden, of dat andere vormen van afwijking dienen aangebracht te worden, of dat lood voldoet als vervanger van het splijtstof materiaal. Het is niet de bedoeling een gecertifieerde standaard te maken voor QA, dit kan echter wel gebeuren in de toekomst op basis van de ervaringen opgedaan met deze simulatienaald.
4.2.1 De eerste vijf tabletten voor contrastbepaling 4.2.1.1 Attenuatiecoëfficiënt Om te bepalen welke materialen te gebruiken zodat er een geleidelijke overgang is in de mate van absorptie om zodoende het contrast van de film te bepalen, werd eerst onderzoek gedaan
49
naar de attenuatiecoëfficiënten6 van verschillende materialen. Het is namelijk zo dat wanneer een mono energetische röntgenstraling met een fluentietempo ϕ0 door een homogeen materiaal gaat de fluentietempovermindering (-∆ϕ) evenredig is aan de dikte (∆x) van het doorstraalde materiaal. De relatieve vermindering wordt gegeven door de formule: ∆ϕ/ϕ0 = -µ∆x
Formule 49.1 Relatieve vermindering
waarin µ de lineaire attenuatiecoëfficiënt van het door de straling doorstraalde materiaal is . De lineaire attenuatiecoëfficiënt is afhankelijk van het soortelijk gewicht van het doorstraalde materiaal en het atoomnummer en de energie van de röntgenstraling. Men noemt de verhouding µ/ρ de massa-attenuatiecoëfficiënt waarin ρ de massadichtheid is van het materiaal. De invoering van het begrip massa-attenuatiecoëfficiënt" voorziet ons van een attenuatiecoëfficiënt die onafhankelijk is van de massadichtheid van het materiaal. De grootte van de lineaire attenuatiecoëfficiënt wordt berekend met de formule van Bragg en Pierce: µ = Kλ³Z³
Formule 49.2 Formule van Bragg en Pierce
Hieruit volgt dat de grootte van de µ afhankelijk is van: λ: de golflengte van de primaire straling. De zachte stralen, waarvan de golflengte groter is dan die van de harde stralen, zullen nog sterker geabsorbeerd worden dan de laatste. Z: het atoomnummer van het te onderzoeken materiaal K :De verhoudingsfactor die zelf afhankelijk is van de massadichtheid. Voor een gegeven golflengte en een bepaald materiaal zal de grootte van µ constant zijn. Als 1 mm van een materiaal 1/10 van de erdoorheengaande primaire monochromatische straling absorbeert, zal elke volgende mm 1/10 van de overgebleven straling absorberen. Door formule te integreren krijgt men: ϕ = ϕ0 e-µx
(49.3)
Waarin e het grondtal van de natuurlijke logaritmen is. Door formule 49.3 in logaritmische vorm te schrijven krijgt men: (AGFA GEVAERT, 45,46) ln ϕ/ϕ0 = -µx
(49.4)
Deze formules gelden enkel voor de ideale omstandigheden waarbij de X-stralenbundel gecollimeerd wordt. Indien dit niet het geval is moet men rekening houden met de verstrooiingsfactor B. De formule wordt dan ϕ = ϕ0 B e-µx 4.2.1.2 De verschillende materialen Om een geleidelijke overgang van attenuatie van X-stralen te zoeken, werd van verschillende materialen de lineaire attenuatiecoëfficiënt uitgezet in een grafiek in functie van de energie.
6
attenuatiecoëfficiënt: waarschijnlijkheid voor het optreden van een interactie pet lengte eenheid
50
Aan de hand van deze grafrieken heb ik bepaald welke materialen te gebruiken om het contrast te bepalen. Deze materialen zijn lucht, plexiglas, aluminium, koper en lood. De berekeningen en de grafieken hiervan kan men bekijken in bijlage 1.
4.2.2 De volgende negen tabletten voor bepaling van de resolutie in het splijtstofmateriaal Na de 5 tabletten vervaardigd uit verschillende materialen werd een ring van PVC tussen gevoegd. Dit om een duidelijke onderscheid te maken tussen de volle loden tablet en de loden tablet met het gaatje met een diameter van 1.0 mm. Daarna komen dus de negen loden tabletten waarin volgens de lengte as van de naald gaatjes gemaakt zijn met diverse diameters: 1.0 - 1.2 - 1.4 - 1.6 - 1.8 - 2.0 - 2.2 - 2.4 - 2.6 mm. Deze worden gebruikt om na te gaan of centrale gaten in tabletten kunnen gereproduceerd worden en om de resolutie in het splijtstofmateriaal te bepalen. Er werd gebruik gemaakt van lood omdat dit materiaal de massadichtheid van splijtstof benadert. Het lood bevat 5% antimoon om de mechanische bewerking van de tabletten mogelijk te maken. ρlood = 11.34 g/cm³ ρantimoon = 6.618 g/cm³ De dichtheid van lood met 5% antimoon is dan: 0.05 x 6.618 g/cm³ = 0.3309 g/cm³ 0.95 x 11.34 g/cm³= 10.7733 g/cm³ 0.3309 g/cm³ + 10.7733 g/cm³ = 11.1039 g/cm³ Aangezien de dichtheid van splijtstof materiaal ongeveer 10.5 g/cm³ is, is dit dus een goede benadering.
4.2.3 De laatste 5 tabletten voor bepaling van de resolutie in "lucht" Ook na deze negen tabletten is een ring van PVC geplaatst. Dan volgen laatste vijf tabletten van PVC met daarin koperen draadjes met verschillende diameters: 0.2 - 0.7 - 1.4 - 1.8 - 2.75 mm. Tussen elk van deze tabletten is telkens een volle ring van aluminium geplaatst met een lengte van 2 mm en een diameter van 9.3 mm. Dit om een duidelijk onderscheid te hebben tussen de verschillende draadjes. De tabletten van PVC met koperen draadjes worden gebuikt om de resolutie te bepalen in 'lucht". Hier werd gebruik gemaakt van PVC omdat dit praktisch de enige oplossing was om de koperen draadjes centraal in de naald te plaatsen en omdat dit het dichtst nadert bij lucht qua massadichtheid. ρlucht = 0.001205 g/cm³ ρPVC = 1.38 g/cm³
51
5
Testen van het klassieke filmsysteem
5.1
Doelstelling
Om een vergelijking te maken met de digitale systemen werden eerst een paar testen uitgevoerd op het klassieke filmsysteem. De resultaten van deze testen dienen als referentie voor de digitale systemen. De uitgevoerde testen zijn: Het opmeten van de karakteristieke curve van de film om te weten tussen welke densiteit een beeld moet liggen om een goed contrast te bekomen Instelling van de beste belichtingswaarde [mAmin] en buisspanning [kV] van de Xstralenbron Het opmeten van de resolutie voor loden tabletten Het opmeten van de resolutie voor koperen draadjes
5.2
Karakteristieke curve
Vooreerst werd de karakteristieke curve van de röntgenfilm opgemeten aan de hand van de simulatienaald. Het is namelijk zo dat de densiteit (zwarting) die in een fotografische emulsie verkregen wordt, niet steeds verandert in dezelfde verhouding als de gebruikte belichting. De verhouding tussen de verschillende belichtingen en de zwarting die ze veroorzaken wordt het duidelijkst uitgedrukt in een karakteristieke curve. Men verkrijgt deze door een röntgenfilm toenemende belichtingen te geven. Na ontwikkeling meet men de densiteit en zet deze uit als functie van de relatieve logaritmische waarden van de overeenkomstige belichting [log rel (I,t)]. Er dient opgemerkt te worden dat zowel de x-as als de y-as volgens logaritmische schaal is verdeeld. Eerst werd de karakteristieke curve van de röntgenfilm opgemeten boven de veer in de simulatienaald. Er werd gewerkt bij een constante spanning van 160 kV. De belichtingswaarden (mAmin) werden telkens aangepast. De afstand van de bron tot de naald bedroeg 740 mm. Telkens werd hetzelfde stuk van de naald belicht om achteraf te kunnen vergelijken. Na ontwikkeling van de film werd de densiteit gemeten van elk stukje. De densiteit werd gemeten met een analoge densitometer (PDA 81 SAKURA). Deze moet voor elke meeting gecallibreerd worden. Dit gebeurt aan de hand van een certified denstap van Agfa Structurix (code: 3UEPB, ID NR: 2403054). • • • • • • • • • •
Stap 0: 0.189 Stap 1: 0.293 Stap 2: 0.593 Stap 3: 0.894 Stap 4: 1.170 Stap 5: 1.470 Stap 6: 1.780 Stap 7: 2.080 Stap 8: 2.370 Stap 9:2.660
52
• • • • •
Stap 10: 2.950 Stap 11: 3.260 Stap 12: 3.570 Stap 13: 3.840 Stap 14: 4.130
Tabel 52.1 Meting karakteristieke curve van röntgenfilm in lucht Buisstroom [mA] 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
tijd 6 sec 12 sec 18 sec 24 sec 30 sec 36 sec 42 sec 48 sec 54 sec 1 min 1 min 1 min 1 min 1 min 1 min 1 min 1 min 1 min 1 min
Belichtingswaarde [mAmin] 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
densiteit
Log rel (I,t)
1.3 2.6 3.7 4.0 Buiten bereik Buiten bereik Buiten bereik Buiten bereik Buiten bereik Buiten bereik Buiten bereik Buiten bereik Buiten bereik Buiten bereik Buiten bereik Buiten bereik Buiten bereik Buiten bereik Buiten bereik
0 0.301 0.477 0.602 0.698 0.778 0.845 0.903 0.954 1 1.301 1.477 1.602 1.698 1.778 1.845 1.903 1.954 2
Aan de hand van de tabel en de foto's kan u zien dat het niet mogelijk is om hier een karakteristieke curve van te maken. Na de vierde meting ziet de film te zwart en is de densitotmeter buiten bereik.
53
Fig. 53.1 Röntgenfilm: Karakteristieke curve in lucht (0.1 - 1 mAmin)
54
Fig. 54.1 Röntgenfilm: Karakteristieke curve in lucht (2 - 10 mAmin)
55
Vandaar dat er een tweede poging gedaan werd.Deze keer de karakteristieke curve van de röntgenfilm boven het inconel buisje in de simulatienaald opgemeten. Er werd gewerkt bij een constante spanning van 200 kV. De belichtingswaarden (mAmin) werden telkens aangepast. De afstand van de bron tot de naald bedroeg 740 mm. Telkens werd hetzelfde stuk van de naald belicht om achteraf te kunnen vergelijken. Tabel 55.1 Meting karakteristieke curve van röntgenfilm boven inconel buisje Buisstroom [mA] 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 3 4 5 6 7 8 5 6 7 8 6 5 6 8
tijd 6 sec 12 sec 18 sec 24 sec 30 sec 36 sec 42 sec 48 sec 54 sec 1 min 1 min 1 min 1 min 1 min 1 min 1 min 1 min 2 min 2 min 2 min 2 min 3 min 4 min 5 min 5 min
Belichtingswaarde [Amin] 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 30.0 40.0
densiteit
Log rel (I,t)
0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 1.25 1.70 2.00 2.40 2.80 3.20 3.40 3.80 3.80 4.00 4.00 4.00 4.00 4.00 4.00
0 0.301 0.477 0.602 0.699 0.778 0.845 0.903 0.954 1 1.301 1.477 1.602 1.699 1.778 1.845 1.903 2 2.079 2.146 2.204 2.255 2.301 2.477 2.602
Aan de hand van deze gegevens werd dan een karakteristieke curve opgesteld met in de x-as de relatieve logaritmische waarden van de belichting en in de y-as de densiteit.
56
karakteristieke curve X-film 4,5 4 3,5 densiteit
3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
log rel (I,t)
Uit deze grafiek en de onderstaande foto's kunnen we besluiten dat de densiteit van het beeld tussen 1 en 2.8 zou moeten liggen. Want het lineair stijgend gedeelte van de karakteristieke curve is het werkingsgebied. Dit om een goed contrast te krijgen. Hoe steiler de helling hoe groter de contrastfactor zal zijn. Boven de 2.8 is het beeld volledig zwart en dus niet bruikbaar.
57
Fig. 57.1 Röntgenfilm: Karakteristieke curve boven inconel buisje (0.1 - 1 mAmin)
58
Fig. 58.1 Röntgenfilm: Karakteristieke curve boven inconel buisje (2 - 10 mAmin)
59
Fig. 59.1 Röntgenfilm: Karakteristieke curve boven inconel buisje (12 - 40 mAmin)
60
Wat we uit deze metingen nog opgemerkt hebben is een artefact links in het beeld. (zie Fig. 61.1) Dit is nog nooit eerder opgemerkt omdat men eigenlijk nog nooit stilstaande beelden van de naald genomen heeft. Bij een continue beweging verdwijnt dit schaduwbeeld telkens in het volgende beeld. Hoe komt dit artefact daar? Het artefact in het beeld werd veroorzaakt door de dichting onder de collimator dat voor een gedeelte in het beeld komt en zorgt voor extra attenuatie van de X-stralen. Deze dichting zorgt ervoor dat er geen opening is met de buitenwereld, maar dat er toch nog X-stralen door kunnen. De dichting is gewoon een dun aluminium plaatje op een passtuk. Bij het oude model staat een gedeelte van het passtuk in het beeld en dit zorgt voor het artefact. Het passtuk heeft een opening van 10 mm. Men heeft dan een nieuw passtuk ontworpen. De opening is nu 17 mm. De 2 steunen bovenaan het passtuk heeft men nu ook weggelaten aangezien deze overbodig waren. Daarbij werd ook het loden plaatje aan de dichting weggelaten Tijdens een interventie in de metallurgische hot cel M1 werd dit probleem dan ook opgelost.
61
Fig. 61.1 Grafische tekening van oud en nieuw passtuk
62
5.3
Instelling X-stralenbron
Om de beste instelling betreffende buisspanning, buisstroom en belichtingstijd van de Xstralenbron te kennen zodat men een goede belichting krijgt tussen een densiteit 1 en 2.8 van de film, werden er testen uitgevoerd op een reële brandstofnaald (F1077). Naast de densiteit van het bekomen beeld werden de beelden ook visueel geëvalueerd op de zichtbaarheid van de barsten in de brandstoftabletten.
5.3.1 Stilstaande beelden Eerst werd dit getest aan de hand van stilstaande beelden door telkens de belichtingswaarde (mAmin) en de elektrische buisspanning (kV) te veranderen. Telkens werd hetzelfde stuk naald belicht om achteraf de beelden met elkaar te vergelijken en zo de beste instelling van de X-stralenbron te bepalen. Na ontwikkeling van de film werd de densiteit van elk beeld gemeten en de zichtbaarheid van de barsten in de tabletten bekeken. Deze resultaten worden dan vergeleken met de resultaten verkregen uit de karakteristieke curve. (zie § 5.2) Men moet wel telkens rekening houden met de beperkingen van de X-stralenbuis. We hebben gewerkt op kleine focus (1.8 mm) en dan is het maximaal vermogen van de X-stralenbron 1.6 kW. De afstand van de bron tot de naald bedroeg 740 mm. Tabel 62.1 Instelling X-stralenbron a.h.v. stilstaande beelden bij 4mAmin
4 mAmin Buisstroom (mA) 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
Belichtingstijd (min) 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Spanning (kV)
densiteit
300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400
0.80 0.80 0.80 0.90 0.97 0.99 1.00 1.05 1.10 1.20 1.23
63
Fig. 63.1 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. stilstaande beelden (4 mAmin)
64
Tabel 64.1 Instelling X-stralenbron a.h.v. stilstaande beelden bij 6mAmin
6 mAmin Buisstroom (mA) 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
Belichtingstijd (min) 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
Spanning (kV)
densiteit
300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400
0.98 1.00 1.00 1.02 1.10 1.13 1.20 1.30 1.45 1.47 1.58
65
Fig. 65.1 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. stilstaande beelden (6 mAmin)
66
Tabel 66.1 Instelling X-stralenbron a.h.v. stilstaande beelden bij 8mAmin
8 mAmin Buisstroom (mA) 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
Belichtingstijd (min) 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
Spanning (kV)
densiteit
300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400
1.10 1.10 1.20 1.20 1.30 1.40 1.42 1.50 1.60 1.75 1.90
67
Fig. 67.1 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v.stilstaande beelden (8 mAmin)
68
Tabel 68.1 Instelling X-stralenbron a.h.v. stilstaande beelden bij 10mAmin
10 mAmin Buisstroom (mA) 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4
Belichtingstijd (min) 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5
Spanning (kV)
densiteit
300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400
1.15 1.20 1.32 1.40 1.48 1.50 1.58 1.70 1.90 2.08 2.22
69
Fig. 69.1 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. stilstaande beelden (10 mAmin)
70
Op de beelden is linksonder een barst te zien in het tablet.(zie Fig. 67.1) Aan de hand van deze barst kan men een goede vergelijking maken tussen de verschillende beelden om te evalueren welk beeld het best details weergeeft Vanaf wanneer kan je bij elke reeks de barst zien? Belichtingswaarde (mAmin) 4 6 8 10
Spanning (kV)
Densiteit
390 360 350 340
1.2 1.2 1.4 1.48
Spanning (kV)
Densiteit
400 390 390 380
1.23 1.47 1.75 1.9
Spanning (kV)
Densiteit
390
1.75
Het beste resultaat van elke reeks is Belichtingswaarde (mAmin) 4 6 8 10
Het beste visueel resultaat Belichtingswaarde (mAmin) 8
71
Besluiten: Bij de belichtingswaarde reeks van 4 mAmin is voor een spanning van 390 kV de barst het beste zichtbaar.Hier is een densiteit gemeten van 1.2. Als je dan bij een belichtingswaarde reeks van 10 mAmin bij diezelfde densiteit (1.2) gaat kijken zie je niets, maar hier werd een spanning van 310 kV ingesteld. Hieruit kan men besluiten dat de spanning dus een grote rol speelt i.v.m. de resolutie. De reden hiervoor is dat bij hogere energie de X-stralen meer penetrerend zijn. Bijvoorbeeld bij een spanning van 390 kV moet je de naald maar 4 mAmin belichten om de barst te zien. Bij een spanning van 340 kV echter moet je de naald al 10 mAmin belichten om de barst te kunnen zien. Hieruit kunnen we dus besluiten dat je hogere energieën minder moet belichten om de barst te kunnen zien en lagere energieën moet je dus langer belichten om de barst te kunnen zien. Wat je op deze beelden ook nog ziet is dat de zwarte rand boven breder is dan beneden. Wat is de oorzaak hiervan? We dachten eerst dat de bron niet gecentraliseerd stond. Dit hebben we onderzocht, maar bleek niet het geval te zijn. Waarschijnlijk werd een verkeerd koperen compensatiestuk gebruikt. Op deze beelden kunnen we ook zien dat de overgang tussen de tabletten soms troebel is. De oorzaak hiervan is het principe van de stappenmotor. Hij gaat soms met schokjes vooruit. Microstappen in de motor kan hiervoor een oplossing bieden. Beste beeld is genomen bij een belichtingswaarde van 8 mAmin en een spanning van 380 kV. De densiteit hier gemeten is 1.75. Deze waarde ligt in het interval verkregen aan de hand van de karakteristieke curve.
72
5.3.2 Continue beweging Indien brandstofnaalden gemeten worden, gebeurt dit aan de hand van continue scanning van de brandstofnaald. Daarom hebben we ook de beste instelling van de X-stralenbron bepaald voor een continue beweging aan de hand van een reële brandstofnaald (F 1077). Aan deze methode van scannen zijn wel enkele beperkingen verbonden. De wagen die de naald voortduwt en de film cassette worden namelijk verplaatst door stappenmotoren. Het is dus niet mogelijk van willekeurige snelheden in te stellen. 1 rotatie van de motor = 200 stappen 200 stappen = 5 mm verplaatsing op de meetbank 1 stap van de motor = 0.025 mm verplaatsing op de meetbank De minimale snelheid van de wagen is dan: (5 mm x 60 sec )/200 stappen = 1.5 mm/min = 1 stap/sec Het aantal stappen moet zowel voor de wagen als voor de cassette een geheel getal zijn. De verschillende mogelijkheden zijn dus beperkt. 2 stappen/sec = 1.5 mm/min x 2 = 3 mm/min 3 stappen/sec = 1.5 mm/min x 3 = 4.5 mm/min 4 stappen/sec = 1.5 mm/min x 4 = 6 mm/min … Daar de bundel divergeert dient de cassette op een hogere snelheid te bewegen dan de naald. Ook hier is de combinatie wagensnelheid en cassettesnelheid beperkt. Indien de afstand bron - naald, de afstand naald - film en de snelheid van de wagen gekend zijn, kan men via driehoeksmeetkunde de snelheid van de cassette berekenen zowel als de vergrotingsfactor van het beeld op de film.
Fig. 72.1 Wiskundige voorstelling principe stappenmotor
73
h1 = afstand naald - film:185 mm (vast) h2 = afstand bron - naald: 465 mm - 950 mm (instelbaar) A = snelheid wagen (mm/min) B = snelheid cassette (mm/min) A/h2 = B/(h1 + h2) B = A(h1 + h2)/h2 B = A + A(h1/h2) Vb.
h2 = 740 mm A = 6 mm/min B = 6 + 6(185/740) = 7.5 mm/min
De snelheden verhouden zich tot mekaar zoals de vergroting van het beeld: B/A = vergrotingsfactor. Vb.
B/A = 7.5/6 = 1.25
Om een vergelijking te kunnen maken met de beelden uit de vorige meting (stilstaande beelden) hebben we rekening houdend met de snelheid van de wagen en de cassette de belichtingswaarden (mAmin) berekend. Vb.
Snelheid van de wagen = 6 mm/min Snelheid van de cassette = 7.5 mm/min Breedte van de slit = 10 mm ⇒ de tijd dat de film belicht wordt kan je dan berekenen aan de hand van de regel van drie: (10mm x 1 min) / 7.5 mm = 1.33 min ⇒ de belichtingswaarde voor een buisstroom van 4 mA= 4 mA x 1.33 min = 5.33 mAmin
Merk op dat bij een bron - naald afstand van 740 mm een belichting van 8 mAmin niet bereikt kan worden daar de cassettesnelheid en de wagensnelheid niet lager kan voor die welbepaalde bron - naald afstand van 740 mm en daar de buisstroom op zijn maximum is. Deze 8 mAmin was de ideale belichtingstijd bij stilstaande beelden. Om toch een grotere belichting te bekomen werd de bron - naald afstand op 555 mm gezet. Bij deze situatie krijg je dan een belichtingswaarde van 6.68 mAmin. Let wel op daar de bron nu dichter staat zorgt deze belichtingswaarde voor een grotere flux op de film want hoe dichter de bron, hoe meer deeltjes er terechtkomen op de film. Bij deze testen werd de snelheid van de wagen, de snelheid van de film cassette, de hoogte van de bron en de spanning aangepast. Telkens werd dezelfde 40 mm van de naald belicht om achteraf de beelden met elkaar te vergelijken en te zien in welke beelden de barsten in de tabletten het beste zichtbaar zijn. Na ontwikkeling van de film werd ook de densiteit van elk beeld gemeten. Wel werd telkens de densiteit gemeten van de middelste tablet omdat: • Bij het opstarten van de bron, de bron niet dadelijk op zijn gevraagde spanning staat
74
• •
We op het einde de bron plots stop zetten Het begin en het einde nooit zolang belicht worden als de middelste tablet omdat we hier te maken hebben met bewegende beelden Deze resultaten worden dan vergeleken met de resultaten verkregen uit de karakteristieke curve. Bij alledrie de metingen hebben we gewerkt op kleine focus (1.8 mm). Het maximaal vermogen van de X-stralenbron is dus 1.6 kW.
Meting 1 Snelheid van de wagen: 4.5 mm/min Snelheid van de film cassette: 6 mm/min Afstand bron - naald: 555 mm ⇒ vergrotingsfactor: 1.333333 Buisstroom: 4mA Belichtingswaarde : 6.68 mAmin Tabel 74.1 Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 6.68 mAmin Spanning (kV) 350 360 370 380 390 400
Densiteit 1.7 1.9 2.1 2.2 2.35 2.6
Fig. 74.1 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 6.68 mAmin
75
Fig. 75.1 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 6.68 mAmin
Fig. 75.2 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 6.68 mAmin
Meting 2 Snelheid van de wagen: 6 mm/min Snelheid van de film cassette: 7.5 mm/min Afstand bron - naald: 740 mm ⇒ vergrotingsfactor: 1.25 Buisstroom: 4mA Belichtingswaarde : 5.33 mAmin Tabel 75.1 Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 5.33 mAmin Spanning (kV) 350 360 370 380 390 400
Densiteit 1.25 1.3 1.3 1.5 Slechte ontwikkeling 1.6
76
Fig. 76.1 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 5.33 mAmin
Fig. 76.2 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 5.33 mAmin
Fig. 76.3 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 5.33 mAmin
Meting 3 Snelheid van de wagen: 12 mm/min Snelheid van de film cassette: 15 mm/min Afstand bron - naald: 740 mm ⇒ vergrotingsfactor: 1.25 Buisstroom: 4 mA Belichtingswaarde : 2.6 mAmin
77
Tabel 77.1 Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 2.6 mAmin Spanning (kV) 350 360 370 380 390 400
Densiteit 0.9 1 1 1.05 1.05 1.15
Fig. 77.1 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 2.6 mAmin
Fig. 77.2 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 2.6 mAmin
Fig. 77.3 Röntgenfilm: Instelling X-stralenbron a.h.v. continue beweging bij 2.6 mAmin
78
Besluiten: Op deze beelden zie je opnieuw dat de zwarte rand bovenaan breder is dan de zwarte rand onderaan. De oorzaak hiervan kan zijn dat een verkeerd koperen passtuk gebruikt is ofwel dat het koperen passtuk niet fittend genoeg is. Een probleem dat zich bij deze test wel voordoet is de slechte ontwikkeling van de film door een defecte werking van het ontwikkelingstoestel. Het beste resultaat bekomen we bij meting 2. Dit bij een spanning gelegen tussen 370 en 400 kV. Hier hebben we een densiteit gelegen tussen 1.3 en 1.6. Dit interval komt overeen met de resultaten uit de karakteristieke curve (1 en 2.8) De parameters van meting 2 zijn: Snelheid van de wagen: 6 mm/min Snelheid van de film cassette: 7.5 mm/min Afstand bron - naald: 740 mm ⇒ vergrotingsfactor: 1.25 Buisstroom: 4mA Belichtingswaarde : 5.33 mAmin Een belichting van 8 mAmin bij een bron - naald afstand van 740 mm kan in continue beweging niet gebruikt worden, hetgeen volgens de stilstaande beelden het beste resultaat zou opleveren. Door de bron lager te zetten bekomt men een hogere belichtingswaarde maar het nadeel is dat men ook overbelichting bekomt. Als je de bron lager zet bekom je een grotere flux op de film want hoe dichter de bron, hoe meer deeltjes er terechtkomen op de film. De instelling bij meting 3 is diegene die tot nu toe steeds gebruikt werd voor het radiograferen van de naalden daar er niet altijd voldoende tijd is. Meting 3 duurt namelijk 2 maal zo lang als meting 3.
79
5.4
Bepalen van de haalbare resolutie
5.4.1 Doelstelling Een eerste doelstelling is het bepalen van de resolutie. Aan de hand hiervan kunnen we een vergelijking maken met de resultaten van het digitale systeem en kunnen we bepalen of dat systeem de performantie van het filmsysteem haalt. We weten voor een reële brandstofnaald wat de beste instelling van de X-stralenbron is. Een tweede doelstelling is kijken of we met de simulatienaald tot hetzelfde resultaat komen. Dit moet dan aangeven dat de simulatienaald nuttig is voor de instelling van een systeem.
5.4.2 Resolutie boven loden tabletten Deze meting werd uitgevoerd aan de hand van de simulatienaald. In de simulatienaald zitten negen loden tabletten waarin volgens de lengte as van de naald gaatjes gemaakt zijn met diverse diameters: 1.0 - 1.2 - 1.4 - 1.6 - 1.8 - 2.0 - 2.2 - 2.4 - 2.6 mm. Deze worden gebruikt om na te gaan of centrale gaten in tabletten kunnen gereproduceerd worden en om de resolutie in het splijtstofmateriaal te bepalen. Bij deze testen werd de snelheid van de wagen, de snelheid van de film cassette en de spanning aangepast. Telkens werden de negen loden tabletten belicht om achteraf de beelden met elkaar te vergelijken. Meting 1 Snelheid van de wagen: 12 mm/min Snelheid van de film cassette: 15 mm/min Afstand bron - naald: 740 mm ⇒ vergrotingsfactor: 1.25 Buisstroom: 4 mA Belichtingswaarde: 2.6 mAmin Spanning: 350 - 390 kV in stappen van 10 kV
Fig. 79.1 Röntgenfilm: bepalen van de resolutie boven de loden tabletten bij 2.6 mAmin
80
Fig. 80.1 Röntgenfilm: bepalen van de resolutie boven de loden tabletten bij 2.6 mAmin
Fig. 80.2 Röntgenfilm: bepalen van de resolutie boven de loden tabletten bij 2.6 mAmin
Meting 2 Snelheid van de wagen: 6 mm/min Snelheid van de film cassette: 7.5 mm/min Afstand bron - naald: 740 mm ⇒ vergrotingsfactor: 1.25 Buisstroom: 4 mA Belichtingswaarde: 5.33 mAmin Spanning: 350 - 400 kV in stappen van 10 kV
Fig. 80.3 Röntgenfilm: bepalen van de resolutie boven de loden tabletten bij 5.33 mAmin
81
Fig. 81.1 Röntgenfilm: bepalen van de resolutie boven de loden tabletten bij 5.33 mAmin
Fig. 81.2 Röntgenfilm: bepalen van de resolutie boven de loden tabletten bij 5.33 mAmin
82
Besluiten: De gaatjes in de loden tabletten zijn overal goed zichtbaar.De resolutie in lood is dus beter dan 1 mm. Er is echter niet echt een verschil op te merken tussen de verschillende ingestelde spanningen daar alle gaatjes steeds zichtbaar zijn. Hieruit kunnen we besluiten dat de simulatienaald niet echt nuttig is voor de instelling van de X-stralenbron boven de loden tabletten te bepalen. Beter zou zijn indien nog kleinere gaatjes aanwezig zijn in de loden tabletten. In zulk geval benadert men de barsten in een echte brandstofnaald en kan de simulatienaald wel gebruikt worden voor het instellen van de X-stralenbron. Hiervoor kan men beter gebruik maken van een reële brandstofnaald. (zie § 5.3.2) Aan de hand van deze beelden hebben we ook gemerkt dat de simulatienaald nog niet perfect ontworpen is. Er zouden nog enkele verbeteringen aan moeten gebeuren. • Een eerste vaststelling is dat de gaatjes kleiner zouden moeten zijn om de resolutie te bepalen. In het atelier echter kan men in lood geen kleiner gaatjes dan deze van1 mm boren. Een oplossing hiervoor zou zijn papier of een ander materiaal tussen de loden tabletten te plaatsen. • Ten tweede is de plaatsing van de ring met lucht naast de loden tabletten niet goed. De reden hiervoor is dat men de loden tabletten moet belichten met hoge spanning om iets te zien. De ring met lucht is dan duidelijk overbelicht en geeft dus een overmatige zwarting die het eerste en het laatste tablet soms onduidelijk maken. Beter zou zijn een volle loden tablet voor en achter de laatste tabletten te plaatsen.
83
5.4.3 Resolutie boven koperen draadjes Deze meting werd uitgevoerd aan de hand van de simulatienaald. In de simulatienaald zitten vijf tabletten van PVC met daarin koperen draadjes met verschillende diameters: 0.2 - 0.7 1.4 - 1.8 - 2.75 mm. Deze worden gebruikt om de resolutie te bepalen in 'lucht". Hier werd gebruik gemaakt van PVC omdat dit praktisch de enige oplossing was om de koperen draadjes centraal in de naald te plaatsen en omdat dit het dichtst nadert bij lucht qua massadichtheid. Bij deze testen werd de snelheid van de wagen, de snelheid van de film cassette en de spanning aangepast. Telkens werden de vijf PVC tabletten met daarin de koperen draadjes belicht om achteraf de beelden met elkaar te vergelijken. Meting 1 Snelheid van de wagen: 12 mm/min Snelheid van de film cassette: 15 mm/min Afstand bron - naald: 740 mm ⇒ vergrotingsfactor: 1.25 Buisstroom: 4 mA Belichtingswaarde: 2.6 mAmin Spanning: 100 - 200 kV in stappen van 10 kV
Fig. 83.1 Röntgenfilm: Resolutie boven koperen draadjes bij 2.6 mAmin
Fig. 83.2 Röntgenfilm: Resolutie boven koperen draadjes bij 2.6 mAmin
Fig. 83.3 Röntgenfilm: Resolutie boven koperen draadjes bij 2.6 mAmin
84
Fig. 84.1 Röntgenfilm: Resolutie boven koperen draadjes bij 2.6 mAmin
Meting 2 Snelheid van de wagen: 6 mm/min Snelheid van de film cassette: 7.5 mm/min Afstand bron - naald: 740 mm ⇒ vergrotingsfactor: 1.25 Buisstroom: 4 mA Belichtingswaarde: 5.33 mAmin Spanning: 100 - 200 kV in stappen van 20 kV
Fig. 84.2 Röntgenfilm: Resolutie boven koperen draadjes bij 5.33 mAmin
Fig. 84.3 Röntgenfilm: Resolutie boven koperen draadjes bij 5.33 mAmin
Fig. 84.4 Röntgenfilm: Resolutie boven koperen draadjes bij 5.33 mAmin Besluiten: De koperen draadjes zijn enkel zichtbaar bij een buisspanning gelegen tussen de 130 kV en de 150 kV en bij een belichtingswaarde van 2.6 mAmin. Hieruit kunnen we besluiten dat de simulatienaald nuttig is voor het instellen van een systeem. Aan de hand van deze koperen draadjes kunnen we een goede vergelijking maken tussen het klassieke filmsysteem en het te testen digitale systeem.
85
5.5
Besluit
Uit de voorgaande testen bekomt men voor het klassieke filmsysteem volgende resultaten: • De densiteit waartussen het beeld moet liggen om een goed contrast te bekomen: 1 2.8. Boven densiteit 2.8 wordt de film volledig zwart. • De beste bereikbare instelling ( belichtingswaarde [mAmin], spanning [kV]) van de Xstralenbron bij continue beweging en een bron - naald afstand van 740 mm ⇒ Lucht: 130 - 150 kV en 2.6 mAmin (buisstroom: 4 mA, snelheid wagen: 12 mm/min, snelheid cassette: 15 mm/min) ⇒ Tablet: 370 - 400 kV en 5.3 mAmin (buisstroom: 4 mA, snelheid wagen: 6 mm/min, snelheid cassette: 7.5 mm/min) • De resolutie boven de loden tabletten: beter dan 1 mm • De resolutie boven de koperen draadjes: 0.2 mm • De geometrische onscherpte bij een bron - naald afstand van 740 mm is 0.45 mm
86
6
Testen van de digitale systemen
6.1
Inleiding
De verschillende digitale systemen die getest werden, kunnen we onder verdelen in vier verschillende groepen. Aan de hand van de gegevens van een brochure van de firma D worden hieronder deze systemen beschreven met hun voor - en nadelen. CCD met X-stralen beeldversterker (zie Fig. 86.1): Een CCD bestaat uit lichtgevoelige halfgeleiders vervaardigd uit silicium. Inwendig is de CCD opgebouwd uit een raster van rijen en kolommen; de vierkantjes die je hierdoor verkrijgt zijn de pixels. Wanneer licht via een lens invalt op dit raster zullen de onderliggende pixels een elektrische lading krijgen, waardoor de pixels uiteindelijk rij na rij ingelezen worden in het geheugen van de camera. De beeldversterker is gekoppeld aan de CCD camera. De beeldversterker bestaat uit een laagje CsI (omzetting X-stralen in licht) op een fotokathode (omzetting licht in elektronen) gekoppeld aan een elektronen multiplicator met daarachter een fosforscherm (omzetting elektronen in licht) waarachter een CCD camera geplaatst is om het lichtbeeld te digitaliseren. Deze combinatie maakt real-time imaging mogelijk met een lage X-stralen flux over redelijk grote oppervlaktes. Het nadeel is wel een grote geometrische vervorming en gevoelig aan het uitbranden van de beeldversterker. De beeldversterker is afhankelijk van elektronen versnelling voor gain, en daarom is het zo gevoelig voor externe magnetische velden en vereist deze combinatie een hoge spanning.
Fig. 86.1 CCD met X-stralen beeldversterker
Optisch gekoppelde CCD camera (zie Fig. 87.1): De X-stralen komen op een scnitillator terecht die de X-stralen omzet in licht. Dit licht wordt via een spiegel gereflecteerd en komt op de lens van de CCD camera terecht. Deze CCD camera staat in voor de digitalisatie van het lichtbeeld. De optische collectie efficiëntie van de spiegel is laag en vandaar dat deze combinatie een hoge flux of een beeldversterkende camera vereist voor real-time operaties. De spiegel plaatst de camera uit de primaire X-stralenbundel.
87
Fig. 87.1 Optisch gekoppelde CCD
CCD met Fiber-optic (zie Fig. 87.2): De X-stralen komen op een scnitillator terecht die de X-stralen omzet in licht. Dit licht komt op de lens van de CCD camera terecht. Deze CCD camera staat in voor de digitalisatie van het lichtbeeld. Deze combinatie biedt een gemakkelijke oplossing voor kleine oppervlaktes. De geometrische vervorming en de uniformiteit zijn goed. Verschillende schermen maken het mogelijk dat deze combinatie zeer geschikt is voor verschillende energiebanden.
Fig. 87.2 CCD met fiber-optic
Sensor-panel imager (zie Fig. 88.1): De X-stralen komen op een scintillator bovenop de sensor panel terecht. Deze scintillator gaat de X-stralen omzetten in licht. Deze sensor zorgt dan ook voor de digitalisatie van de lichtbeelden. De sensor panel imager is relatief minder gevoeliger voor licht dan de CCD en signaal ruis verhouding is relatief laag. De signaal ruis verhouding beschrijft de zuiverheid van een sensor. De sensor panel imager heeft aan de andere zijde zeker ook een aantal voordelen. Heel de technologie achter de CCD en vooral de signaalverwerking zit bij de sensor panel imager op één enkele chip.
88
Fig. 88.1 Sensor panel imager Hieronder zetten we al deze technische gegevens nog even op een rijtje in een overzichtelijke tabel. Tabel 88.1 Overzicht kenmerken digitale systemen
Oppervlakte Gevoeligheid Dynamisch bereik Contrast Geometrische nauwkeurigheid Stabiliteit
Flat Panel Imager
CCD OpticallyCoupled
CCD Fiber Optic
Groot Hoog Hoog Hoog
Groot Laag Gemiddeld Gemiddeld
Klein Gemiddeld Gemiddeld Gemiddeld
CCD X-ray Image Intensifier Gemiddeld Hoog Gemiddeld Laag
Zeer hoog
Gemiddeld
Gemiddeld
Laag
Hoog
Hoog Hoog (met spiegel)
Hoog
Gemiddeld
Gemiddeld
Gemiddeld
Stralingsweerstand
Zeer hoog
Pixel per image
Hoog - Zeer hoog
Laag - Hoog
Laag - Hoog
Laag - Hoog
Zeer hoog
Zeer hoog
Zeer hoog
Zeer laag
Hoog
Laag
Gemiddeld
Laag
Ja
Ja
Ja
Nee
Ja
Zelden
Zelden
Ja
50 000 Euro
25 000 Euro
25 000 Euro
25 000 Euro
Magnetische veld weerstand Compactheid Lage Spanning Operatie Elektronische zoom Grootteorde van de prijs
De eigenschappen die voor ons systeem zeker van belang zijn, zijn in het rood aangeduid. Aan de hand van deze gegevens zou je al kunnen concluderen dat de flat panel imager als beste naar voren komt. In wat volgt zal de werking van elk systeem uitgebreid uitgelegd worden en zullen er een aantal testen uitgevoerd worden met de simulatienaald. Deze testen zullen uitwijzen of de voorgaande conclusie correct is.
89
Bij het testen van deze systemen moeten we wel rekening houden met de beschikbare ruimte voor de plaatsing van het systeem. Deze is zeer beperkt. Hieronder vindt u een schematische weergave met de juiste afmetingen van de beschikbare ruimte ( in het blauw aangeduid).
Fig. 89.1 Schematisch overzicht beschikbare ruimte plaatsing digitaal systeem
90
6.2
CCD met Fiber-optic
Het digitaal systeem dat we in deze categorie getest hebben is de X-stralen CCD camera met bijbehorende camera controller van de firma A.
Fig. 90.1 Foto CCD camera met camera controller
6.2.1 Specificaties X-ray Scintillator Material of scintillator: P43 (Gd202S:Tb) Window material: Aluminium
Fiber Fiber type
2.27:1 tapered fiber
Effective field of view (mm)
20 (H) x 15 (V) (Equiv. to 1.5" pickup tube)
Spatial resolution (µm)
43
CCD Detector Imaging device Interline-type CCD Video system
NTSC
Effective pixels 768 (H)x 493 (V) H. frequency
15.734 kHz
V. frequency
59.94 Hz
Scanning type
2:1 interlaced
Video output
1.0Vp-p 75Ω terminated
91
Camera Control Unit A/D converter
10-bit
Memory size
768 (H) ∃ 493 (V)(NTSC) 756 (H) ∃ 581 (V)(CCIR)
Frame memory
16-bit memory ∃ 2 planes
Digital Interface
SCSI2
Input Signal
Composite 1.0Vp-p/75Ω
Gain/Offset, on-chip integration, image accumulation, Image Processing Functions recursive average, zoom, background subtraction, edge enhancement/ mask (selectable)
6.2.2 FOS (Fiber-Optic plate with Scintillator) Om X-stralen om te zetten in zichtbaar licht en deze te detecteren met een beeldapparaat heeft firma A een fiber-optic plaat ontwikkeld met scintillator, nl. FOS. Dit kan gemakkelijk gemonteerd worden, geeft een hoge resolutie en veel lichtopbrengst en kan een ruim oppervlak omvatten. Dit systeem is zeer belangrijke om de grootte van de beeldapparaten die X-stralen omzetten verder te verminderen. (zie Fig. 92.1) De basis configuratie van de FOS bestaat uit de FOP, dat fungeert om het licht van de scintillator te geleiden naar de beeldvormer, en een beschermende film die de Xstralen scintillator die direct op de FOP geplaatst is, beschermt tegen mechanische schade en het bestand maakt tegen vochtigheid. Omdat deze beschermende film zeer dun is, kunnen zelfs bij laag energetische X-stralen (enkele keV) beelden gemaakt worden zonder dat de Xstralen geabsorbeerd worden door de film. Een belangrijk element bij het ontwerp van een systeem is de X-stralen transmissie graad van de FOP. Als je een FOP met een grote X-stralen absorptiecoëfficiënt gebruikt, is het moeilijk om de grootte van het systeem compact te houden.
92
Fig. 92.1 FOS (fiber optic plate with X-ray scintillator) 6.2.2.1 Types FOS
Fig. 92.2 Verschillende types van FOS Het type van scintillator op de camera die wij uitgetest hebben is Gd2O2S:Tb (GOS) met kleine korrel. Dit materiaal bestaat gewoonlijk uit fijne deeltjes die geplaatst zijn op een substraat (FOP, glas, aluminiumplaat, enz) gebruik makend van de geschikte middelen voor het vormen van het fosfor scherm. Er zijn twee groottes beschikbaar: grote korrels en kleine korrels. De verschillende korrelgroottes hebben specifieke gebruiken. Bij fosfor schermen met dezelfde dikte wordt materiaal met grote korrels gebruikt wanneer de lichtopbrengst een hogere
93
prioriteit heeft dan de beeldkwaliteit. Wanneer de beeldkwaliteit prefereert boven de lichtopbrengst wordt er materiaal met kleine korrels gebruikt. De afhankelijkheid van intensiteit en beeldkwaliteit op de diameter van een deeltje gaat uit van het principe in figuur 93.1.
Fig. 93.1 De grootte van de fosfordeeltjes versus de intensiteit Veronderstel een geval waarbij het fosfor scherm bestraald is met een X-straal met een verdeling van energie. Het lichtgevend materiaal zal op een gegeven diepte van het oppervlak van het fosfor scherm, X-stralen met een gegeven energie absorberen en deze energie omzetten naar zichtbaar licht dat dan uitgestraald wordt door het materiaal. De uitgestraalde fotonen worden gereflecteerd, geabsorbeerd, verstrooid en uitgezonden door de deeltjes van het lichtgevend materiaal rond hen. Het aantal fotonen dat oorspronkelijk uitgestraald is, zal gereduceerd worden in verhouding tot het aantal keren dat deze diffusie fenomenen voorkomen terwijl de fotonen uitgezonden worden naar het buitenoppervlak, met als resultaat dat de hoeveelheid licht gereduceerd wordt. Als twee fosfor schermen dezelfde dikte hebben zal het fenomeen hierboven beschreven meer frequent voorkomen bij materiaal met kleine korrels dan bij materialen met grote korrels zodat minder licht uitgezonden wordt. Zoals je uit deze uitleg kan zien is er een relatie tussen de uitstralingsdiepte van de X-straal en de hoeveelheid lichtopbrengst. Daarom is de X-stralenenergie die de stralingsdiepte bepaald een zeer belangrijke factor geworden in het ontwerpen van het optimale fosfor scherm. De resolutie karakteristieken zijn zeer belangrijk voor het bepalen van de dikte van de fosfor laag. De dikte van de fosfor laag hangt ook af van de X-stralen energie. Een vergelijking van de beeldkwaliteit kan je zien in figuur 94.1.
94
Fig. 94.1 De grootte van de fosfordeeltjes versus de resolutie Deze figuur toont dat het materiaal met kleine korrels een meer uniform contrast aan het oppervalk produceert. Maar het materiaal met grote korrels produceert een belangrijke ongelijkheid in licht kwaliteit tussen de deeltjes. Uiteindelijk geeft het materiaal met kleine korrels een betere beeldkwaliteit. Om de nadelen van deze twee verschillende materialen te neutraliseren, kan Firma A een lichtgevend materiaal produceren dat bestaat uit een twee-lagen constructie zoals je kan zien in figuur 94.2.
Fig. 94.2 Twee lagen constructie fosfor scherm Firma A heeft nog een ander type van scintillator nl CsI:Ti. Maar aangezien we dit niet gebruikt hebben gaan we hier niet verder over uitweiden. De volgende grafieken tonen de X-stralen absorptiecoëfficiënt karakteristiek, het stralingsspectrum en het verval karakteristiek van het gebruikte scinitillator materiaal.
95
Fig. 95.1 Absorpiecoëfficiënt van GOS (Gd2O2S:Tb) Hier kunnen we al zien dat de absorptie van de X-stralen rond 300 - 400 kV zeer laag is en dus zeer laag gevoelig is naar onze toepassing toe.
Fig. 95.2 Stralingsspectrum voor GOS (Gd2O2S:Tb)
96
Fig. 96.1 Vervalkarakteristiek van CSI en GOS (Gd2O2S:Tb)
6.2.2.2 FOP (Fiber Optic Plate) In 1854 ontdekte John Tyndall uit Engeland dat wanneer water uit een buis werd geblazen er ook licht mee uitgezonden werd. Dit was het begin van het onderzoek naar lichtgeleiders die gebruik maken van doorzichtige materialen om licht te geleiden. In 1954 ontdekte H.H.Hopkins dat lichtgeleiders gebundeld kunnen worden om beelden kenbaar te maken. Een FOP is een verzameling van lichtgeleiders, of lichtcapillairen, die beelden maakt en hen omzet naar optische informatie. Wanneer licht wordt uitgezonden, treedt er breking op op de grenslijn tussen twee materialen met verschillende brekingsindexen (De wet van Snell). The FOP is gemaakt van drie soorten glas. 1) core(binnenste) glas: Het meeste van het licht gaat door dit glas 2) clad (bedekt) glas: Licht wordt teruggekaatst van de grenslijn tussen de binnenste en de bedekte glazen. 3) Absorberend glas: Dit glas absorbeert al het licht dat niet teruggekaatst werd. Het bedekte glas is rond het binnenste glas gewikkeld om de basis fiber te vormen, genoemd een enkele fiber (single fiber). In de basis FOP configuratie, enkele fibers zijn geplaatst in een hexagonaal dicht op elkaar zittende structuur en omringd door absorberend glas (zie figuur 97.1en figuur 97.2)
97
Fig. 97.1 Constructie van de FOP
Fig. 97.2 Constructie van de FOP Er zijn drie manieren waarop het absorberend kan worden toegevoegd. Een eerste is de EMA methode (zie figuur 97.1b). Bij deze methode is het absorberend glas rond elke 'single' fiber gewikkeld en heeft de FOP een NA (numerial aperture) kleiner dan 1. "EMA" wordt dikwijls gebruikt als een algemene term voor het absorberend glas. Als er absorberend glas gebruikt wordt, zegt men dat het proces is uitgevoerd "met EMA". Als er geen absorberend glas gebruikt is zegt men "zonder EMA". Een andere manier is de ISA methode (zie figuur 97.1a). Bij deze methode zijn de ruimtes tussen de 'single' fibers gevuld
98
met absorberend glas en wordt er een FOP gebruikt met een NA groter dan 1. En een derde manier is de Dead Single methode (zie figuur 98.1 en figuur 98.2). Bij deze methode is het absorberend glas, met een diameter gelijk aan die van een 'single' fiber, gelijk verdeeld over heel heeft de FOP en de FOP een NA gelijk aan 1. Het vervaardigingsproces van het absorberend glas voor deze methode heeft twee voordelen t.o.v. de andere twee methodes. Het is gemakkelijker en goedkoper. Alhoewel, omdat het absorberend glas, dat dezelfde afmetingen heeft als de 'single' fibers, gelijk verdeeld zijn over heel het beeld, zijn de gebruiken die nodig zijn voor de beeldkwaliteit ongeschikt.
Fig. 98.1 Dead single methode
Fig. 98.2 Dead Single methode Firma A gebruikt hoofdzakelijk de ISA en de EMA methode behalve voor speciale gevallen. De laatste tijd wordt de term EMA frequent gebruikt voor het absorberende glas ongeacht de EMA methode wel of niet momenteel gebruikt wordt. Op het reflecterende oppervlak van de grenslijn tussen de binnenste en de bedekte glazen dringt elk licht met een hoek die de kritieke hoek overschrijdt door in het bedekte glas. Deze
99
kritieke hoek wordt bepaald door het verschil tussen de brekingsindexen van de twee glazen. Zoals je kan zien in figuur 99.1 bepaalt dit ook de hoek waaronder het licht de fiber binnenkomt. De relatie tussen de brekingsindex en de hoek wordt hieronder weergegeven. NA = nsinθ = √n0² - n1²
Formule 99.1 Numerical aperture
n = brekingsindex van lucht n0 = brekingsindex van het binnenste glas n1 = brekingsindex van het bedekte glas
Fig. 99.1 De weg van het licht in 'single' fiber "nsinθ" wordt de numerieke opening (NA numerical aperture) genoemd en θ is de maximale licht ontvangende hoek van de fiber. Omdat de hoek waaronder het licht de fiber ingaat dezelfde is als deze waaronder het licht de fiber verlaat kan men zeggen dat licht uitgang is met geen toename van de θ waarde. Bij Hamamamtsu zijn er vier standaardmodellen met NA waarden van 1.0, 0.88, 0.55, en 0.35 beschikbaar. De maximale licht ontvangende hoek bij atmosferische omstandigheden (n=1) en de brekingsindex voor elk van deze vindt je terug in tabel 99.1. Tabel 99.1 Maximale licht ontvangende hoek met bijhorend brekingsindex
Bij de testen uitgevoerd op het SCK•CEN werd een NA gebruikt van 0.55 Omdat een FOP geen brandpuntsafstand heeft, moet de FOP in contact gebracht worden met het actieve oppervlak van de CCD zoals je kan zien in figuur 100.1. De afmetingen van het
100
actieve oppervlak varieert afhankelijk van de fabrikant van de CCD. Om te vermijden dat er geknipt wordt in de verbindingsdraden van de CCD als de FOP aan de CCD gekoppeld wordt, moet het actieve oppervlak uiterst nauwkeurig zijn Het beste koppeling materiaal is een optische kleefstof van silliconen vet met een brekingsindex dicht bij deze van de core glas. Als eender welke optische kleefstof gebruikt wordt, kan verharding en verkrimping van de optische kleefstof de verbindingsdraad verbreken of een spanningslek veroorzaken. Het type kleefstof moet zo gekozen worden dat het op de CCD past als hij gebruikt wordt en er moet rekening mee gehouden worden dat er barsten kunnen ontstaan, veroorzaakt door veranderingen in omgeving. Je moet de FOP op de CCD plaatsen. Dan moet je het silliconenvet aanbrengen tussen de twee om de buitenzijde van de FOP op de CCD te plakken. Een keramische verpakking kan de ongunstige effecten van de kleefstof helpen voorkomen.
Fig. 100.1 Koppelen van een FOP op een CCD Wanneer men regelmatige patronen op elkaar legt ontstaan er gevlamde strepen. Gevlamde strepen ontstaan ook tussen de pixels van de FOP en de CCD, maar de omstandigheden waaronder deze voorkomen kunnen soms veranderen door de verhouding van de CCD pixels te variëren naar het punt waar de strepen niet meer zichtbaar zijn. (Uitzonderlijk fijne strepen bestaan nog steeds, maar zijn bijna onmogelijk te zien). Zelfs als grote gevlamde strepen geproduceerd worden, kunnen ze minder opvallend gemaakt worden door de FOP te draaien. Omdat de CCD pixels een vierkante grid vormen en de FOP een hexagonale structuur heeft, veroorzaakt het draaien van de FOP een geringe storing in het regelmatige patroon tussen de FOP en de CCD pixels. Figuur 101.1 toont de gevlamde strepen tussen de standaard FOP en de CCD en figuur 101.2 toont deze gereduceerd wanneer de FOP 30 graden gedraaid is.
101
Fig. 101.1 Gevlamde strepen Dit is het gestreepte patroon dat voorkomt wanneer twee patronen overlappen en komt voor wanneer een FOP en een CCD gekoppeld worden. Omdat gevlamde strepen voorkomen wanneer de serie frequenties van de FOP's fiber verhouding en de CCD's pixel verhouding zeer gelijk zijn, kan dit patroon gereduceerd worden door opzettelijk een verschil aan te brengen en door de verhouding te roteren of door de frequenties te veranderen.
Fig. 101.2 De gevlamde strepen zijn gereduceerd door de FOP te draaien
102
6.2.3 Testen 6.2.3.1 De karakteristieke curve Vooreerst werd geprobeerd de karakteristieke curve van deze camera op te meten. Aan de hand hiervan kan bepaald worden tussen welke grijswaarden het beeld moet liggen om het beste contrast te krijgen. Instelling van de X-stralenbron: Afstand bron - naald: 740 mm Buisspanning: 160 kV Kleine focus Instelling camera controller: De eerste 10 metingen: Live beelden (geen CCD integratie) = 40 ms per beeldje integreren Gain = 0 Offset = 0 De volgende 7 metingen: CCD integratie = 10 → 10 x 40 = 400 ms per beeldje integreren Gain = 0 Offset = 0 Tabel 102.1 Meting karakteristieke curve bij 160 kV van digitale camera Buisstroom [mA] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2 3 4 5 6 7 8
Belichtingswaarde [mAms] 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200
Log rel (I,t)
Grijswaarde
0 0.301 0.477 0.602 0.699 0.778 0.845 0.903 0.954 1 1.301 1.477 1.602 1.699 1.778 1.845 1.903
28.51 32.17 35.95 39.60 42.45 46.79 50.32 53.59 56.98 60.31 94.92 125.70 151.94 179.82 205.51 214.05 214.08
103
Karakteristieke curve CCD met fiber-optic 250
grijswaarde
200 150
160 kV 100 50 0 0
0,5
1
1,5
2
log rel (I,t)
Uit deze grafiek kunnen we besluiten dat de beste contrastbeelden gelegen zijn tussen een grijswaarde van 60 en 205. Deze grafiek leert ons ook dat de camera een benedengrens van 23 grijswaarden en een bovengrens van 215 grijswaarden aangeeft. De volledige 256 grijswaarden worden niet benut. Hieruit kunnen we ook besluiten dat er een gelijkaardig verloop is van de grijswaarde voor de camera als de densiteit voor de film. Deze meting is nog eens uitgevoerd maar dan bij een andere buisspanning. Instelling van de X-stralenbron: Afstand bron - naald: 740 mm Buisspanning: 200 kV Kleine focus Instelling camera controller: De eerste 8 metingen: Live beelden (geen CCD integratie) = 40 ms per beeldje integreren Gain = 0 Offset = 0 De volgende 7 metingen: CCD integratie = 8 → 8 x 40 = 320 ms per beeldje integreren Gain = 0 Offset = 0
104
Tabel 104.1 Meting karakteristieke curve bij 200 kV van digitale camera Buisstroom [mA] 1 2 3 4 5 6 7 8 2 3 4 5 6 7 8
Belichtingswaarde [mAms] 40 80 120 160 200 240 280 320 640 960 1280 1600 1920 2240 2560
Log rel (I,t)
Grijswaarde
0 0.301 0.477 0.602 0.699 0.778 0.845 0.903 1.204 1.380 1.505 1.602 1.681 1.747 1.806
30.34 36.04 41.40 46.79 52.26 57.26 62.39 67.05 108.18 142.48 174.30 207.35 214.07 214.13 214.15
Karakteristieke curve CCD met fiber-optic 250
grijswaarde
200 150
200 kV 100 50 0 0
0,5
1
1,5
2
log rel (I,t)
Uit deze grafiek kunnen we besluiten dat de beste contrastbeelden gelegen zijn tussen een grijswaarde van 75 en 207. Deze grafiek leert ons ook dat de camera een benedengrens van 23 grijswaarden en een bovengrens van 215 grijswaarden aangeeft. . De volledige 256 grijswaarden worden niet benut. Hieruit kunnen we ook besluiten dat er een gelijkaardig verloop is van de grijswaarde voor de camera als de densiteit voor de film.
105
Karakteristieke curve CCD met fiber-optic 250
grijswaarde
200 150
160kV 200kV
100 50 0 0
0,5
1
1,5
2
log rel (I,t)
6.2.3.2 Simulatienaald opmeten met camera Vooreerst werden er beelden opgenomen boven de koperen draadjes in de simulatienaald om zo de resolutie van de digitale camera te bepalen boven de koperen draadjes. Deze resultaten werden achteraf dan ook vergeleken met de resultaten voor het klassieke filmsysteem. Instelling X-stralenbron: Buisstroom: 6 mA Afstand bron - naald: 900 mm Kleine focus Bij deze meting werd telkens de buisspanning en de CCD integratie op de camera controller aangepast. 120 kV →
140 kV →
180 kV →
200 kV →
CCD 40 CCD 60 CCD 80 CCD 100 CCD 40 CCD 60 CCD 80 CCD 100 CCD 40 CCD 60 CCD 80 CCD 100 CCD 40
106
220 kV →
240 kV →
260 kV →
CCD 60 CCD 80 CCD 100 CCD 20 CCD 40 CCD 60 CCD 80 CCD 2 CCD 20 CCD 40 CCD 60 CCD 2 CCD 20 CCD 40 CCD 60
Het is natuurlijk onmogelijk om hier alle beelden weer te geven. Enkel de beste resultaten zullen hieronder afgebeeld worden.
180 kV en CCD 100
Fig. 106.1 Cu draadje met diameter 0.2 mm
Fig. 106.2 Cu draadje met diameter 0.7 mm
107
Fig. 107.1 Cu draadje met diameter 1.4 mm
Fig. 107.2 Cu draadje met diameter 1.8 mm
Fig. 107.3 Cu draadje met diameter 2.75 mm
108
200 kV en CCD 80
Fig. 108.1 Cu draadje met diameter 0.2 mm
Fig. 108.2 Cu draadje met diameter 0.7 mm
Fig. 108.3 Cu draadje met diameter 1.4 mm
Fig. 108.4 Cu draadje met diameter 1.8 mm
109
Fig. 109.1 Cu draadje met diameter 2.75 mm
220 kV en CCD 60
Fig. 109.2 Cu draadje met diameter 0.2 mm
Fig. 109.3 Cu draadje met diameter 0.7 mm
110
Fig. 110.1 Cu draadje met diameter 1.4 mm
Fig. 110.2 Cu draadje met diameter 1.8 mm
Fig. 110.3 Cu draadje met diameter 2.75 mm
111
240 kV en CCD 40
Fig. 111.1 Cu draadje met diameter 0.2 mm
Fig. 111.2 Cu draadje met diameter 0.7 mm
Fig. 111.3 Cu draadje met diameter 1.4 mm
Fig. 111.4 Cu draadje met diameter 1.8 mm
112
Fig. 112.1 Cu draadje met diameter 2.75 mm
260 kV en CCD 40
Fig. 112.2 Cu draadje met diameter 0.2 mm
Fig. 112.3 Cu draadje met diameter 0.7 mm
113
Fig. 113.1 Cu draadje met diameter 1.4 mm
Fig. 113.2 Cu draadje met diameter 1.8 mm
Fig. 113.3 Cu draadje met diameter 2.75 mm
Zoals u ziet is op geen enkele van de beeldjes het koperen draadje met diameter 0.2 mm zichtbaar. Dit is dus een slechter resultaat als met het klassieke filmsysteem.
114
We hebben ook nog een test uitgevoerd waarbij we de X-stralenbron op 1400 mm gezet hebben t.o.v. de naald waardoor we theoretisch gezien een scherper beeld zouden moeten krijgen. (zie geometrische onscherpte § 3.3.3.1) en eventueel wel de 0.2 mm te zien zouden krijgen. De buisspanning was 200 kV en de buisstroom 8 mA. De CCD integratie van de camera controller was 120ms per beeldje.
Fig. 114.1 Cu draadje met diameter 0.2 mm
Fig. 114.2 Cu draadje met diameter 0.7 mm
Fig. 114.3 Cu draadje met diameter 1.4 mm
Fig. 114.4 Cu draadje met diameter 1.8 mm
115
Fig. 115.1 Cu draadje met diameter 2.75 mm Het beeld is nu wel scherper maar de CCD integratie is veel te groot waardoor je dus ook meer achtergrondruis krijgt en de 0.2 mm is nog steeds niet zichtbaar. Het artefact dat ook zichtbaar was op de film links in het beeld is hier ook aanwezig daar op dat moment het passtuk nog niet vervangen was.
116
Er werden ook beelden opgenomen boven de loden tabletten met gaatjes in de simulatienaald om zo de resolutie van de digitale camera te bepalen boven de loden tabletten. Deze resultaten werden achteraf dan ook vergeleken met de resultaten voor het klassieke filmsysteem. Instelling X-stralenbron: Afstand bron naald: 1400 mm Buisspanning: 380 kV Buisstroom: 4mA CCD integratie: 80 ms per beeldje
Fig. 116.1 Loden tablet met gaatje met diameter 2.6 mm In geen van de gevallen konden de gaatjes in de loden tabletten zichtbaar gemaakt worden. De FOP is duidelijk niet gevoelig genoeg voor hoge energieën tot 400 kV zoals we al reeds konden vermoeden uit figuur 95.1.
117
Ook werden nog een aantal beelden opgenomen boven de veer en de stoppen. De beelden boven de stop kunnen ons een idee geven van de opvulling van de luchtcaviteit in de lasnaad. Bij een goede las dient de caviteit halverwege gevuld te zijn.
Fig. 117.1 Lasnaad van de stop
118
Instelling X-stralenbron: Afstand bron - naald: 1400 mm Buisspanning: 200 kV Buisstroom: 6 mA CCD integratie: 80 ms per beeldje
Fig. 118.1 inconel veer
119
Instelling X-stralenbron: Afstand bron - naald: 1400 mm Buisspanning: 200 kV Buisstroom: 6 mA CCD integratie: 80 ms per beeldje
Fig. 119.1 Lasnaad
120
Resultaten van de CCD camera met fiber-optic Inconel veer is redelijk goed zichtbaar. De koperen draadjes zijn zichtbaar tot en met dat van 0.7 mm. Het kleinste koperen draadje van 0.2 mm is niet zichtbaar. De resolutie boven de koperen draadjes van het digitale systeem is dus slechter als dit van het klassieke filmsysteem. Van de gaatjes in de loden tabletten is niets zichtbaar. Het systeem is dus niet geschikt om boven de brandstoftabletten beelden te maken. De luchtcaviteit van de lasnaden zijn moeilijk identificeerbaar qua vorm en grote. Alle beelden vertonen veel achtergrondruis door de on chip integratie. Het volledige grijswaarde gebeid tot 256 wordt niet benut. Ook hier is het artefact nog aanwezig links in het beeld daar het passtuk op dat moment nog niet vervangen was.
121
6.3
CCD met X-stralen beeldversterker
Vooreerst is er naar de firma B een simulatienaald verstuurd voor een aantal performantie testen in Duitsland. De simulatienaald die hiervoor gebruikt is, bestaat uit een Zirconium legering 4 omhulsel met aan weerszijde Zirconium legering 4 stoppen waarin 18 loden tabletten vastgezet werden met een inconel veer. Het gebruikte lood bevat 5% antimoon om de mechanische bewerking van de tabletten mogelijk te maken. Negen tabletten zijn volledig uniform. In de andere negen tabletten zijn volgens de lengte as van de naald gaatjes gemaakt met diverse diameters: 1 - 1.2 - 1.4 - 1.6 - 1.8 - 2.0 - 2.2 - 2.4 2.6 mm. De uniforme tabletten kunnen gebruikt worden om na te gaan of het X-stralenonderzoek uniforme tabletten kan weergeven zonder enige artefacten. De tabletten met gaatjes kunnen gebruikt worden om na te gaan of afwijkingen in tabletten kunnen gereproduceerd worden en tegen welke resolutie.
122
Fig. 122.1 Lengtedoorsnede van de simulatienaald
123
6.3.1 Proefopstelling De proefopstelling bestond uit de volgende onderdelen: X-stralenbuis Collimator op de uitgang van de X-stralenbuis om strooistraling weg te filteren Digitale detector: beeldversterker gekoppeld aan een CCD camera. De beeldversterker bestaat uit een laagje CsI (omzetting X-stralen in licht) op een fotokathode (omzetting licht in elektronen) gekoppeld aan een elektronen multiplicator met daarachter een fosforscherm (omzetting elektronen in licht) waarachter een CCD camera geplaatst is om het lichtbeeld te digitaliseren. Collimator tussen simulatienaald en digitale detector om een overbelasting (uitbranden) van de beeldversterker te voorkomen 6.3.1.1 X-stralenbuis De X-stralenbuis gebruikt in firma B in Duitsland bij de proefopstelling is er een van het type ISOVOLT 420 / 5 van de firma RICH. SEIFERT & CO. Dit type röntgenbuizen wordt vooral gebruikt voor radioscopische inspecties van naden en lassen en voor inspecties van gietstukken van een muur met een dikte groter dan 20 mm ijzer. Deze X-stralenbuis heeft een dubbele focus, is bipolair, heeft een oliegekoelde anode en axiale hoogspanningsconnecties. Het is een metaal-keramische buis met een schuin geplaatste anode en een beryllium venster. Tabel 123.1 Technische data X-stralenbuis ISOVOLT 420/5 Maximale buisspanning Maximaal vermogen (van de anode) Maximale buisstroom bij maximale buisspanning Grootte van de effectieve focus Inherente filtering Hoogspanningsvoedingsconnectoren Koelvloeistof debiet (olie) Koelvloeistof temperatuur (olie) Koelvloeistof druk (olie) Gewicht Hoek waaronder de X-stralenbundel de buis verlaat Dimensies
420 kV grote focus 2240 W
Kleine focus 960 W
5.3 mA
2.3 mA
1.5 mm x 1.5 mm 7 mm Be 2 kegelvormige connectoren voor 225 kV min. 17 l/min max. 50°C max. 7 bar 72 kg
0.8 mm x 0.8 mm 7 mm Be 2 kegelvormige connectoren voor 225 kV min. 17 l/min max. 50°C max. 7 bar 72 kg
20°
20°
zie Fig. 124.1
zie Fig. 124.1
Zoals u waarschijnlijk al gemerkt heeft, is dit type van X-stralenbuis ongeveer hetzelfde type als dat op LHMA, maar met veel een kleinere focus en een kleiner maximaal vermogen. De kleinere focus geeft in principe een betere resolutie. Het hoger vermogen beperkt wel de maximale buisstroom en dus ook de flux om te belichten.
124
Fig. 124.1 Afmetingen X-stralenbuis ISOVOLT 420/5
Fig. 124.2 Grafiek maximaal vermogen X-stralenbuis
125
6.3.1.2 Beeldversterker De gebruikte beeldversterker is een Image Intensifier/Television System.
Fig. 125.1 Image Intensifier/Television System Features Image Intensifier:
* High detail resolution * Large image contrast * High radiation sensitivity * Low inherent filtration * Long life and high stability * Mechanically insensitive due to all-metal ceramic technology
CCD Television Camera:
* High quality image * Excellent modulation transfer function (MTF) * Long life and high stability * High resistance against electro-magnetic interference * Precise image geometry * Low lag and little sticking
Industrial television monitor: * High detail resolution even into the corners of the picture * Overscanning / underscanning * Change-over of the constants for recording operation * 100 Hz mode with respective video signal
Technische data beeldversterker Tube type Nominal input diameter Useful input image Input field with electronic zoom Diameter of output image
RBV 23-3M (All-metal ceramic design) 230 mm (IEC 520, DIN 6825) 215 mm 170 mm / 130 mm (Magn.1 / Magn.2) 25 mm
126
Input window Operating temperature
Al + 5°C … + 35°C
Entrance Field size [mm] Viewable input screen area at the monitor screen in [mm] approx. horizontally (A) vertically (B) diagonal (C)
Normal 215
Magn.1 170
Magn.2 130
195 152 210
145 115 165
120 90 130
Weigth
21 kg
Fig. 126.1 Monitor Technische data CCD camera Pick-up device Picture elements of CCD Sensing area Lens mount Video signal Video output H/V resolution Operating temperature Total weight of (without monitor) approx. 36 kg
Interline transfer CCD 756 (H) x 581 (V) 8.8 mm x 6.6 mm (2/3") C mount CCIR 50 Hz 1.0Vpp sync negative, 75Ω unbalanced 560 (TV) lines; picture elements 739 H 0 - 40°C
127
Fig. 127.1 Dimensies beeldversterker Technische data Televisie Monitor Screen size TV line standards Video inputs
Synchronization
Operating temperature Power supply Weight
44 cm 525 lines / 60 Hz 625 lines / 50 Hz 2 x VBS signal 0.5 to 1.4 Vpp pos. asymmetric at 75Ω terminal load switchable 1 loop-through output per input internal at video inputs 1/2 External via video input 2 S signal 0.3 to 4 Vpp Neg. at 75Ω or VBS signal + 5 to + 45°C 115/230 V AC +/-15%, 50/60 Hz approx. 14.5 kg
128
6.3.2 Testen Hieronder vindt u enkele beelden die ons opgestuurd zijn per e-mail door de firma B in Duitsland.
Fig. 128.1 Lengtedoorsnede van de simulatienaald met aanduiding van de verschillende posities
129
Plaats op de simulatienaald Instelling X-stralenbron
Instelling beeldversterker
inconel veer (positie 1) focus: 0.8 mm Buisspanning: 130 kV Buisstroom: 2 mA Elektrische vergroting: 2 Mechanische vergroting: 1.4
Fig. 129.1 Opname simulatienaald positie 1
130
Plaats op de simulatienaald Instelling X-stralenbron
Instelling beeldversterker
inconel veer (positie 2) focus: 0.8 mm Buisspanning: 130 kV Buisstroom: 2 mA Elektrische vergroting: 2 Mechanische vergroting: 1.4
Fig. 130.1 Opname simulatienaald positie 2
131
Plaats op de simulatienaald
Instelling X-stralenbron
Instelling beeldversterker
van onder naar boven: loden tablet met gaatje diameter 2.6 mm uniforme loden tablet loden tablet met gaatje diameter 2.4 mm uniforme loden tablet loden tablet met gaatje diameter 2.2 mm (positie 3) focus: 0.8 mm Buisspanning: 420 kV Buisstroom: 2 mA Elektrische vergroting: 2 Mechanische vergroting: 1.4
Fig. 131.1 Opname simulatienaald positie 3
132
Plaats op de simulatienaald
Instelling X-stralenbron
Instelling beeldversterker
van onder naar boven: uniforme loden tablet loden tablet met gaatje diameter 2.0 mm uniforme loden tablet loden tablet met gaatje diameter 1.8 mm uniforme loden tablet loden tablet met gaatje diameter 1.6 mm (positie 4) focus: 0.8 mm Buisspanning: 420 kV Buisstroom: 2 mA Elektrische vergroting: 2 Mechanische vergroting: 1.4
Fig. 132.1 Opname simulatienaald positie 4
133
Plaats op de simulatienaald
Instelling X-stralenbron
Instelling beeldversterker
van onder naar boven: deel van de loden tablet met gaatje diameter 1.6 mm uniforme loden tablet loden tablet met gaatje diameter 1.4 mm uniforme loden tablet loden tablet met gaatje diameter 1.2 mm uniforme loden tablet (positie 5) focus: 0.8 mm Buisspanning: 420 kV Buisstroom: 2 mA Elektrische vergroting: 2 Mechanische vergroting: 1.4
Fig. 133.1 Opname simulatienaald positie 5
134
Plaats op de simulatienaald
Instelling X-stralenbron
Instelling beeldversterker
van onder naar boven: deel van loden tablet met gaatje diameter 1.4 mm uniforme loden tablet loden tablet met gaatje diameter 1.2 mm uniforme loden tablet loden tablet met gaatje diameter 1.0 mm uniforme loden tablet (positie 6) focus: 0.8 mm Buisspanning: 420 kV Buisstroom: 2 mA Elektrische vergroting: 2 Mechanische vergroting: 1.4
Fig. 134.1 Opname simulatienaald positie 6
135
Plaats op de simulatienaald
Instelling X-stralenbron
Instelling beeldversterker
van onder naar boven inconel veer lasnaad (positie 7) focus: 0.8 mm Buisspanning: 170 kV Buisstroom: 2 mA Elektrische vergroting: 2 Mechanische vergroting: 2
Fig. 135.1 Opname simulatienaald positie 7
Op 6 en 7 november 2001 zijn we naar de firma B in Duitsland zelf geweest om een demonstratie bij te wonen van deze digitale RX apparatuur. De resultaten hiervan vindt u hieronder terug.
136
Plaats op de simulatienaald
Instelling X-stralenbron
Instelling beeldversterker
van onder naar boven: loden tablet met gaatje diameter 1.6 mm uniforme loden tablet loden tablet met gaatje diameter 1.4 mm uniforme loden tablet loden tablet met gaatje diameter 1.2 mm uniforme loden tablet loden tablet met gaatje diameter 1.0 mm uniforme loden tablet focus: 0.8 mm Buisspanning: 420 kV Buisstroom: 2 mA Elektrische vergroting: 0 Mechanische vergroting: 1.5
Fig. 136.1 Opname simulatienaald (loden tabletten)
137
Plaats op de simulatienaald
Instelling X-stralenbron
Instelling beeldversterker
van onder naar boven: loden tablet met gaatje diameter 1.6 mm uniforme loden tablet loden tablet met gaatje diameter 1.4 mm uniforme loden tablet loden tablet met gaatje diameter 1.2 mm uniforme loden tablet loden tablet met gaatje diameter 1.0 mm uniforme loden tablet focus: 0.8 mm Buisspanning: 420 kV Buisstroom: 2 mA Elektrische vergroting: 1 Mechanische vergroting: 1.25
Fig. 137.1 Opname simulatienaald (loden tabletten)
138
Plaats op de simulatienaald
Instelling X-stralenbron
Instelling beeldversterker
van onder naar boven: loden tablet met gaatje diameter 1.6 mm uniforme loden tablet loden tablet met gaatje diameter 1.4 mm uniforme loden tablet loden tablet met gaatje diameter 1.2 mm uniforme loden tablet loden tablet met gaatje diameter 1.0 mm uniforme loden tablet focus: 1.5 mm Buisspanning: 420 kV Buisstroom: 2 mA Elektrische vergroting: 1 Mechanische vergroting: 1.25
Fig. 138.1 Opname simulatienaald (loden tabletten)
139
Plaats op de simulatienaald Instelling X-stralenbron
Instelling beeldversterker
lasnaad van de stop focus: 0.8 mm Buisspanning: 186 kV Buisstroom: 2 mA Cu filter van 0.5 mm op bronuitgang Elektrische vergroting: 2 Mechanische vergroting: 1.25
Fig. 139.1 Opname simulatienaald (lasnaad)
Plaats op de simulatienaald Instelling X-stralenbron
Instelling beeldversterker
lasnaad van de stop focus: 0.8 mm Buisspanning: 215 kV Buisstroom: 2 mA Cu filter van 1 mm op bronuitgang Elektrische vergroting: 2 Mechanische vergroting: 1.25
Fig. 139.2 Opname simulatienaald (lasnaad)
140
Plaats op de simulatienaald Instelling X-stralenbron
Instelling beeldversterker
lasnaad focus: 1.5 mm Buisspanning: 215 kV Buisstroom: 2 mA Cu filter van 1 mm op bronuitgang Elektrische vergroting: 2 Mechanische vergroting: 1.25
Fig. 140.1 Opname simulatienaald (lasnaad)
141
Resultaten: Inconel veer is goed zichtbaar. Het kleinste defect van 1 mm in de loden tabletten is zichtbaar zelfs met de grote focus die vergelijkbaar is met de kleine focus van de X-stralenbron op LHMA. De beelden vertonen wel wat achtergrondruis. Er is een wezenlijk verschil zichtbaar tussen slechte en goed lasnaden hetgeen aantoont dat het systeem gebruikt kan worden om lasnaden te controleren. Bij het gebruik van 1 mm Cu filter op bronuitgang werd de ruimtelijke resolutie verbeterd, meer details werden zichtbaar. Merk op dat dit detail weer verdwijnt bij focus vergelijkbaar met X-stralenbron op LHMA. Opmerkingen bij de resultaten: Het uitbranden van de beeldversterker bij overbelichting kan voor de opstelling op LHMA ook een wezenlijk probleem zijn daar men niet kan anticiperen op de inhoud van de naald. De overbelichting bovenaan en onderaan de naald die steeds aanwezig is bij continue scanning geeft eveneens overbelasting en eventueel doorbranden van de beeldversterker. De X-stralenbron op LHMA heeft een grotere focus waardoor er een verlies aan resolutie zal zijn in vergelijking met deze testen. Enkel een klein gedeelte van het beeld wordt benut, hetgeen niet ten goede komt van de ruimtelijke resolutie. Het gehele systeem past qua dimensies niet binnen de huidige infrastructuur van de metallurgische hot cel M1 Software ontwikkelingen zijn mogelijk en bespreekbaar met de firma B. De firma B heeft nog andere digitale X-stralen detectoren ter beschikking: Flat panel imager: film kwaliteit ook voor hoge energieën, maar geen live beelden mogelijk zodat het onmogelijk is om de naald te volgen in beweging. Digitale flat panel imager: heeft dezelfde beeldkwaliteit als de beeldversterker. Doorbranden van de detector bij overbelasting is hier niet mogelijk. Maar het nadeel is dan weer dat het niet mogelijk is van live beelden op te nemen. Plannen voor de toekomst: De firma B gaat uitzien naar een beeldversterker met kleinere dimensies. Indien er een digitale flat panel detector ter beschikking komt, zullen verdere afspraken gemaakt worden om testen uit te voeren in de toekomst.
142
6.4
Optisch gekoppelde CCD
De X-stralen komen op een scnitillator terecht die de X-stralen omzet in licht. Dit licht wordt via een spiegel gereflecteerd en komt op de lens van de CCD camera terecht. Deze CCD camera staat in voor de digitalisatie van het beeld.
6.4.1 Energiespectrum meten Firma C wou eerst en vooral het energiespectrum weten op de plaats waar het digitale systeem moet komen. Dit om te bepalen welk type scintillator en camera het best toegepast kunnen worden voor de proefopstelling. We hebben geprobeerd het energiespectrum te bepalen aan de hand van een gammaspectrometer (Nanospec Target). We hebben verscheidene metingen gedaan. Zowel in lucht als met de brandstofnaald in zijn positie en telkens bij verschillende buisspanning en buisstroom. Deze metingen zijn echter niet gelukt omdat bij die hoge spanningen de spectrometer in verzadiging gaat. Naar aanleiding van het mislukken van deze metingen hebben we de dosis gemeten op de plaats waar het digitale systeem moet komen. Bij deze gemeten dosissen gaat de spectrometer dus in verzadiging. Dit hebben we gemeten aan de hand van de dosisdebietmeter Xetex Telescan 330 A. De resultaten hiervan zijn hieronder weergegeven. Dosis meting 1 Meting met tussen de bron en de slit niets geplaatst, dus in lucht Instelling van de X-stralenbron: Kleine focus: 1.8 mm Buisstroom: 1 mA Afstand bron - naald: 1200 mm 100 kV → iets meer dan 1 mSV/h 200 kV → 1.5 mSV/h 300kV → 5.5 mSV/h 400 kV → 200 mSV/h Dosis meting 2 Meting met tussen de bron en de slit het koperen tussenstuk, het koperen compensatiestuk en een vol inox buisje geplaatst. Instelling van de X-stralenbron: Kleine focus: 1.8 mm Buisstroom: 1 mA Afstand bron - naald: 1200 mm 100 kV → 150 µSV/h 200 kV → iets meer dan 1 mSV/h 300 kV → 2.2 mSV/h 400 kV → 6.5 mSV/h
143
Dosis meting 3 Meting met tussen de bron en de slit het koperen tussenstuk, het koperen compensatiestuk en een vol inox buisje geplaatst. Instelling van de X-stralenbron: Grote focus: 4.5 mm Buisstroom: 1 mA Afstand bron - naald: 1200 mm 150 kV → 2.5 mSV/h 200 kV → 9.5 mSV/h
Daarna hebben we de spectrometrische metingen nog eens uitgevoerd maar ditmaal met op de kop van de spectrometer een loden blok geplaatst met daarin centraal een gaatje van 5 mm om zodoende te vermijden dat te veel straling op de detector valt. Maar ook nu ging de spectrometer nog steeds in verzadiging.
6.4.2 Proefopstelling Voor deze proefopstelling is een testplank gebouwd door de firma C. Op deze testplank werd een CCD camera gemonteerd. Op de camera kon een beeldversterker gemonteerd worden. De camera "keek" met een 50 mm lens via twee spiegels naar de scintillator. De beelden werden op een video monitor weergegeven en via de IEEE interface in de computer ingelezen.
Fig. 143.1 Proefopstelling zonder beeldversterker
144
Fig. 144.1 Proefopstelling met beeldversterker
6.4.2.1 CCD camera specificaties
Fig. 144.2 Foto CCD camera Camera - CCOR/RS170 analogue output - GPIB interface - Digital control of all camera settings - 10 bits digital output (14.5 MHz) - Internal 10 bits frame buffer - Digital black level control (8 bits)
145
- Gamma: 1.0 or 0.45 - Dimensions camera head (mm): 228 x 115 x 85 - Lens mount: C-mount, others on request Operating modes - Standard Video mode - Short Time Integration mode: Integration time programmable in 64 µs steps from 64 µs up to 18.5 ms - Long Time Integration mode: Integration time programmable in 20 ms steps from 38.5 ms up to 20 s - Region of Interest mode: 1 - 290 lines - Binning mode: 2, 4, 8 or 16 lines - Trigger mode: software or external TTL trigger for single shot image Gain control - Automatic Gain Control (AGC) or - Manual digital gain control (8 bits) - Image Intensifier gain control (8 bits) Intensifier gating control modes: - Follow Integration: The gate follows CCD integration period - Internal Trigger: Synchronised with CCD integration, the gate pulse width and delay are programmable in 70 ns steps up to 20 ms - Follow External: The gate follows an external signal down to a minimum pulse width 5 ns - External Trigger: Triggered by an external signal, the gate pulse width and delay are programmable in 70 ns steps up to 20 ms
146
Ingebouwde beeldversterking
18
Fiber optic / glass / quartz 18
Hybrid (2stage) Fiber optic / glass / quartz 18
10.5 x 7.9
14 x 10.5
14 x 10.5
14 x 10.5
300 25 15
600 55 45
1000 140 100
Gain (cd/m².lx)
150 (fixed)
6000 (variable)
Camera sensitivity (lx) Camera resolution (TV lines) Optional gating min. pulse width (ns) Phosphor Decay time to 1% (ms)
10-4
5 x 10-6
600 55 45 300000 (variable) 10-7
500
450
400
No
Yes 5 P43 3
Options
-
Type
Gen I
Input Window
Fiber optic
Input diameter (mm) Useful image area (mm²) Cathode sensitivity At 2850 K (µA/lm) At 800 nm (mA/W) At 850 nm (mA/W)
P20 60
Gen II
Gen III Glass 18
8000 (variable) 10-6 450
Yes Yes 5 100 P43 P20 3 60 Different photocathodes UV response P46, P47 short decay phosphors
P20 = ZnCdS:Ag,Cu P43 = GdO2S:Tb P46 = Y3Al5O12:Ce P47 = Y2SiO5:Ce CCD sensor - Frame transfer CCD sensor - 774 x 580 pixels - 100% fill factor Software C-library, LIµWIN and driver for ImagePro Plus available
147
6.4.2.2 Beeldversterker
Fig. 147.1 Foto beeldversterker Technical data Input format Magnification Matching camera Sensitivity Resolution Input Voltage Lens-mount Camera-mount
: 1inch (16 mm diag.) : 0.5 x : 1/2 inch format : 10-5 lx( with B/W CCD camera) : 500 TV lines : 12 VDC : C-mount, adjustable : C-mount, adjustable
Image Intesifier Tube Type : Super Generation II MCP wafer Input diameter : 18 mm Input window : quartz / glass Photocathode : S20 / S25 broad / Super S25 (zie Fig. 148.2) Cathode sensitivity : 600 µA/lm (Super S25) Gain : 7000 cd/m².lx Output diameter : 18 mm Output window : fiber optics Resolution : 55 lp/mm Magnification : 1.0 x Phosphor : P20 / P43 / P46 (zie Fig. 148.1) Decay time : P20: 6.5 ms (to 10 %) : P43: 1.5 ms : P46: 500 ns
148
Fig. 148.1 Grafiek fosformateriaal
Fig. 148.2 Grafiek Fotokathode
149
Relay optics High quality optical system consisting of 10 elements Magnification : 0.5 x Back focal distance : 8 mm Field of view The field of view is determined by the user selected optics and the format of 12.8 x 9.6 mm at the input side of the unit. Dimensions and weight Weight : 425 g
Fig. 149.1 Afmetingen beeldversterker
150
6.4.3 Testen 6.4.3.1 Opnames gemaakt met MIN-R scherm Inconel veer Instellingen X-stralenbron: Buisspanning: 200 kV Buisstroom: 1 mA Afstand bron - naald: 740 mm Instelling camera: Gain (factor): 5 Integratietijd: 338 ms
Fig. 150.1 Opname van veer in naald
151
Inconel veer Instellingen X-stralenbron: Buisspanning: 200 kV Buisstroom: 4 mA Afstand bron - naald: 740 mm Instelling camera: Gain (factor): 1.3 Integratietijd: 338 ms
Fig. 151.1 Opname van veer in de naald
152
Inconel veer Instellingen X-stralenbron: Buisspanning: 250 kV Buisstroom: 4 mA Afstand bron - naald: 740 mm Instelling camera: Gain (factor): 0.95 Integratietijd: 338 ms
Fig. 152.1 Opname van veer in de naald
153
Inconel veer Instellingen X-stralenbron: Buisspanning: 200 kV Buisstroom: 4 mA Afstand bron - naald: 740 mm Instelling camera: Gain (factor): 1.3 Integratietijd: 658 ms
Fig. 153.1 Opname van veer in de naald
154
Lasnaad Instellingen X-stralenbron: Buisspanning: 200 kV Buisstroom: 4 mA Afstand bron - naald: 740 mm Instelling camera: Gain (factor): 1.3 Integratietijd: 338 ms
Fig. 154.1 Opname van lasnaad van de naaldstop
155
Loden tablet met gaatje diameter 1.2 mm Instellingen X-stralenbron: Buisspanning: 390 kV Buisstroom: 4 mA Afstand bron - naald: 740 mm Instelling camera: Gain (factor): 3 Integratietijd: 5000 ms
Fig. 155.1 Opname van loden tablet met gaatje 1.2 mm
156
6.4.3.2 Opnames met Zinksulfide scherm Loden tablet met gaatje diameter 1.2 mm Instellingen X-stralenbron: Buisspanning: 390 kV Buisstroom: 4 mA Afstand bron - naald: 740 mm Instelling camera: Gain (factor): 1.4 Integratietijd: 5000 ms
Fig. 156.1 Opname van loden tablet met gaatje 1.2 mm
157
Fig. 157.1 Opname van loden tablet met gaatje 1.2 mm: geroteerd en geïnverteerd
158
Cu draadje diameter 0.7 mm Instellingen X-stralenbron: Buisspanning: 200 kV Buisstroom: 7 mA Afstand bron - naald: 740 mm Instelling camera: Gain (factor): 1 Integratietijd: 140 ms
Fig. 158.1 Opname van koperen draadje diameter 0.7 mm
159
Cu draadje diameter 1.4 mm en 1.8 mm Instellingen X-stralenbron: Buisspanning: 200 kV Buisstroom: 4 mA Afstand bron - naald: 740 mm Instelling camera: Gain (factor): 1 Integratietijd: 300 ms
Fig. 159.1 Opname van koperen draadje diameter 1.4 en 1.8mm
160
Resultaten: Inconel veer is redelijk goed zichtbaar. De koperen draadjes zijn zichtbaar tot en met dat van 0.7 mm. Het kleinste koperen draadje van 0.2 mm is niet zichtbaar. De resolutie boven de koperen draadjes van het digitale systeem is dus slechter als dit van het klassieke film systeem. De gaatjes in de loden tabletten zijn zichtbaar tot 1 mm, maar niet even duidelijk als op het klassieke filmsysteem. Lasnaden zijn redelijk goed zichtbaar. Conclusies: De beeldkwaliteit is nog niet zoals die met het klassieke film systeem behaald wordt. Het Zinksulfide scherm geeft betere gevoeligheid als het MIN-R scherm (ruwweg 3 x meer signaal, zie verschil opname Fig. 155.1 en Fig. 156.1). De in de proefopstelling gebruikte spiegels geven te veel reflecties De verwachting is dat met de hieronder voorgestelde verbeteringen een betere beeldkwaliteit bekomen kan worden. Nog mogelijke verbeteringen: Lagere ruis door minder versterking en langere integratietijd. Hiervoor is een gekoelde camera noodzakelijk Een scintillator toepassen die nog beter geschikt is voor de hogere X-stralen energieën. Betere spiegels zonder reflecties. Met name opgedampte spiegels
161
Het SCK•CEN is momenteel in bespreking met firma C om een tweede test uit te voeren. Het systeem zou dan gebaseerd zijn op een gekoelde camera om de ruis te onderdrukken zodat lange belichtingstijden mogelijk zijn. Of er nog een beeldversterker nodig zou zijn zal afhangen van de testen. Daarom heeft firma C een systeem met en zonder beeldversterker aangeboden. Het systeem bestaat uit de volgende onderdelen: Behuizing bestaande uit een basisplaat met daarop gemonteerd de camera, opgedampte spiegels en de verwisselbare scintillator. Het geheel wordt lichtdicht gemaakt d.m.v. een kap. Gekoelde camera Sofware voor het besturen van de camera en beeld aquisitie Scintillator gemonteerd in een verwisselbare houder Lens Aluminium opgedampte spiegels Eventueel Beeldversterker met bijhorend voeding
162
Behuizing
Fig. 162.1 Behuizing testopstelling
163
Gekoelde camera: CCD specificatie Array (pixels) Pixel size (µ) Area (mm) Anit-blooming Dynamic range Digital resolution
: 768 x 512 :9 : 6.9 x 4.6 : available (on-chip only) : > 75 dB : 14 bit 1.3 MHz
Systeem specificatie Pixel binning Exposure time
: 1 x 1 to 8 x 64 on chip binning : 0.03 seconds to 10.4 seconds in 0.01 seconds increments, or up to 1040 seconds in 0.001 seconds increments Frame sizes : Full frame, subframe, focus mode Cooling : 35°C - 40°C below ambient temperature. Thermoelectric cooler with forced air. 15 minute temperature transition time for sensor safety. Software programmable temperature. Temperature stability : +/- 0.1°C System Gain : 5 - 8 e-/ADU Camera Head : 4.8" diameter camera head x 2.8" Tall. Choice of T - C mount adapter or 2" draw tube. Software MaxIm DL Lens Cosmicar / Pentax 50 mm / F 1.4 C-mount lens Beeldversterker
Fig. 163.1 Foto beeldversterker
164
Technical data Input format Magnification Matching camera Sensitivity Resolution Input Voltage Lens-mount Camera-mount
: 1inch (16 mm diag.) : 0.5 x : 1/2 inch format : 10-5 lx( with B/W CCD camera) : 500 TV lines : 12 VDC : C-mount, adjustable : C-mount, adjustable
Gating Properties Gating modes (switch selectable)
: 1. follow TTL input 2. always on 3. always off Gate range : 50 / 100 ns - ∞ Max. repetition rate : 1 / 10 kHz Trigger input : TTL Propagation delay : 35 / 100 ns Image Intensifier Tube Type Input diameter Input window Photocathode Cathode sensitivity Gain Output diameter Output window Resolution Magnification Phosphor Decay time (to 10 %)
: Super Generation II MCP wafer : 18 mm : quartz / glass : S20 / S25 broad / Super S25 : 600 µA/lm (Super S25) : 7000 cd/m².lx : 18 mm : fiber optics : 55 lp/mm : 1.0 x : P20 / P43 / P46 : P20: 6.5 ms : P43: 1.5 ms : P46: 500 ns
Relay optics High quality optical system consisting of 10 elements Magnification : 0.5 x Back focal distance : 8 mm Field of view The field of view is determined by the user selected optics and the format of 12.8 x 9.6 mm at the input side of the unit.
165
Dimensions and weigth Weight
: 600 g
Fig. 165.1 Dimensies beeldversterker
166
6.5
Sensor-panel imager
6.5.1 Specificaties Op het SCK•CEN is nog een tweede systeem van de firma A getest. Een flat panel sensor.
Fig. 166.1 Foto van de flat panel sensor De flat panel sensor bestaat uit een array bord en een controle bord. Het array bord is samengesteld uit een laag CsI scintillator, een IC chip en een twee dimensionele matrix. De vierkantjes die gevormd worden door deze matrix zijn de pixels. De X-stralen die geabsorbeerd worden in de scintillator worden omgezet in licht. De onderliggende pixels op de sensor krijgen dan een elektrische lading en worden rij na rij ingelezen waardoor de lichtbeelden gedigitaliseerd worden. Applications Non-destructive inspection Digital X-ray photography Features 2400 x 2400 pixels Digital output (12 bit) Dynamic picture image: 9 frames/s (4 x 4 binning) Low noise and wide dynamic range Compact package Easy use
167
Fig. 167.1 Blokdiagram flat panel sensor Functional specification Readout Feedback capacitance of each amplifier Video output (Data 1 - 12) Output data rate Synchronous signal
: Charge amplifier array : 0.15 pF : RS422 (differential) 12 bit : 15.15 MHz : RS422 (differential)
Specification Pixel size Active area Pixel number Frame speed (single operation) Frame speed (2 x 2 binning) Frame speed (4 x 4 binning) Noise Saturation charge Resolution Dynamic Range Number of elements Effective elements Scintillator
: 50 µm : 120 x 120 mm : 5.76 pixels : 2 frame/s : 4 frame/s : 9 frame/s : 1100 electrons : 2.2 electrons : 8 line pairs/mm : 2000 : 2400 x 2400 pixels : 2240 x 2368 pixels : CsI
168
Connectie
Fig. 168.1 Connectie van de apparatuur Dimensies
Fig. 168.2 Dimensies flat panel sensor (a = 120 mm)
169
6.5.2 Testen Op het SCK•CEN zijn testen uitgevoerd met de flat panel sensor waaronder u hier enkele resultaten vindt. Koperen draadje van 0.7 mm Instelling X-stralenbron: Buisspanning: 390 kV Buisstroom: 4 mA Afstand bron - naald: 740 mm Instelling flat panel sensor: Onchip integratie: 1 sec per beeld Beeld integratie: 10 sec per beeld
Fig. 169.1 Opname van koperen draadje diameter 0.7 mm Koperen draadje van 0.7 mm Instelling X-stralenbron: Buisspanning: 390 kV Buisstroom: 4 mA Afstand bron - naald: 740 mm Instelling flat panel sensor: Onchip integratie: 2 sec per beeld
Fig. 169.2 Opname van koperen draadje diameter 0.7 mm
170
Lasnaad van de stop Instelling X-stralenbron: Buisspanning: 390 kV Buisstroom: 4 mA Afstand bron - naald: 740 mm Instelling flat panel sensor: Onchip integratie: 1 sec per beeld Beeld integratie: 10 sec per beeld
Fig. 170.1 Opname van de lasnaad van de stop Lasnaad van de stop Instelling X-stralenbron: Buisspanning: 390 kV Buisstroom: 4 mA Afstand bron - naald: 740 mm Instelling flat panel sensor: Onchip integratie: 2 sec per beeld
Fig. 170.2 Opname van de lasnaad van de stop
171
Lasnaad van de stop Instelling X-stralenbron: Buisspanning: 390 kV Buisstroom: 4 mA Afstand bron - naald: 740 mm Instelling flat panel sensor: Onchip integratie: 3 sec per beeld Beeld integratie: 3 sec per beeld
Fig. 171.1 Opname van de lasnaad van de stop Lasnaad van de stop Instelling X-stralenbron: Buisspanning: 390 kV Buisstroom: 4 mA Afstand bron - naald: 740 mm Instelling flat panel sensor: Onchip integratie: 3 sec per beeld Beeld integratie: 7 sec per beeld
Fig. 171.2 Opname van de lasnaad van de stop
172
Loden tablet met gaatje van 1.0 mm Instelling X-stralenbron: Buisspanning: 390 kV Buisstroom: 4 mA Afstand bron - naald: 740 mm Instelling flat panel sensor: Onchip integratie: 10 sec per beeld
Fig. 172.1 Opname van loden tablet met gaatje 1.0 mm Loden tablet met gaatje van 1.0 mm Instelling X-stralenbron: Buisspanning: 390 kV Buisstroom: 4 mA Afstand bron - naald: 740 mm Instelling flat panel sensor: Onchip integratie: 5 sec per beeld Beeldintegratie: 13 sec per beeld
Fig. 172.2 Opname van loden tablet met gaatje 1.0 mm
173
Inconel veer Instelling X-stralenbron: Buisspanning: 180 kV Buisstroom: 4 mA Afstand bron - naald: 740 mm Instelling flat panel sensor: Onchip integratie: 10 sec per beeld
Fig. 173.1 Opname van de inconel veer Inconel veer Instelling X-stralenbron: Buisspanning: 180 kV Buisstroom: 4 mA Afstand bron - naald: 740 mm Instelling flat panel sensor: Onchip integratie: 2 sec per beeld
Fig. 173.2 Opname van de inconel veer
174
Resultaten: Door de beelden in dit document te importeren gaat een groot deel van de beeldkwaliteit verloren. Inconel veer is goed zichtbaar. De koperen draadjes zijn zichtbaar tot en met dat van 0.7 mm. Het kleinste koperen draadje van 0.2 mm is niet zichtbaar. De resolutie boven de koperen draadjes van het digitale systeem is dus slechter als dit van het klassieke film systeem. De gaatjes in de loden tabletten zijn zichtbaar, maar niet even duidelijk als op het klassieke filmsysteem. De luchtcaviteit van de lasnaden zijn identificeerbaar qua vorm en grote. Op deze beelden kan je zien dat het artefact niet meer aanwezig is links in het beeld. Deze beelden zijn opgenomen na de interventie waarbij het passtuk vervangen is. Andere systemen beschikbaar bij firma A: Kleinere CMOS sensor: 51.2 x 51.2 mm (active area) 300 µm scintillator pixel size eveneens 50 µm Deze sensor zou een beter resultaat moeten geven dan de grote CMOS sensor die we getest hebben op het SCK•CEN. Beeldversterkers: de nadelen hiervan zijn dat de digitalisatie erna gebeurt en dus ruisvorming veroorzaakt. Er is ook geen overbelichting mogelijk want dat is slecht voor de beeldversterker. En de lineariteit is niet zo goed.
175
6.6
Bezoek Cadarache
Op 4 maart 2002 hebben we een bezoek gebracht aan de hotcelinfrastructuur CEA Cadarache in Frankrijk. Dit om informatie uit te wisselen omtrent digitale radioscopie en de toepassing ervan in nabestralingsonderzoek en refabricatie van splijtsofnaalden. Ook werd er aandacht besteed aan het ontwerpen van de meetbanken voor niet-destructief onderzoek op bestraalde brandstofelementen.
6.6.1 Bezoek aan "Het labo voor Refabricatie" van de heer Francis Berdoula Een bezoek werd gebracht aan het labo (in opbouw) voor refabricatie van splijtsofnaalden. In het bijzonder werd aandacht besteed aan de methodiek voor het controleren van lasnaden met RX-beelden. Het digitaal systeem is nog in opbouw. Het betreft een cabine uitgerust met een X-stralenbron en -detector die verbonden wordt met de hotcel via een alfa dichte opening in de hotcelwand. Als X-stralenbron zal gebruik gemaakt worden van een 260 kV X-stralenbron met een kleine focus van 0.2 x 0.2 mm. Als detector opteert men voor een beeldversterker gekoppeld aan een CCD camera van de firma B. De X-stralenbron en -detector zijn in hoogte verstelbaar waardoor een geometrische vergroting van 2.8 bereikt kan worden. De combinatie van kleine focus en geometrische vergroting zouden een dusdanige resolutie moeten leveren dat sferische gasbelletjes van 0.3 mm diameter zichtbaar worden. Voor de callibratie werd een standaard gemaakt uit Zirconium legering 4 omhulsel met sferische gasbelletjes met een diameter van 0.1 tot 0.6 mm. Deze gasbelletjes werden aangebracht door middel van een elektrische vonktechniek. De acceptatie van de lasnaden wordt beperkt tot gasbelletjes van 0.3 mm diameter of kleiner.
6.6.2 Bezoek aan "Het labo voor Niet-Destructief Onderzoek STAR" van Mevrouw Brigitte Lacroix Wat betreft het X-stralenonderzoek wordt er ook gebruik gemaakt van een externe cabine gekoppeld aan de hotcelwand. Men gebruikt een 220kV X-stralenbuis met een kleine focus van 0.2 x 0.2 mm. De detector is een beeldversterker met zeer compacte dimensies gekoppeld aan een CCD camera. De behaalde kwaliteit van dit systeem is echter beperkt door de maximale energie van de X-stralenbuis. Defecten in de tabletten zijn niet zichtbaar. De combinatie van de beeldversterker met een 420 kV X-stralenbuis (zoals aanwezig is op LHMA) kan een oplossing bieden voor het digitaliseren van de RX-beelden op LHMA. Testen bij firma B hebben reeds aangetoond dat defecten binnen tabletten zichtbaar worden met een beeldversterker en een hoogenergetische X-stralenbron. Firma B beschik echter niet over een compacte beeldversterker om in te bouwen in hotcel M1. Opgemerkt dient te worden dat de beeldversterker een zeer beperkte levensduur heeft (+/- 2 jaar) wanneer deze overbelast wordt. Deze overbelasting komt in praktijk regelmatig voor daar men niet kan anticiperen op de inhoud van de splijtstofnaald, zoals bijvoorbeeld de aanwezigheid van caviteiten.
176
6.7
Toekomstplannen
6.7.1 Firma D Er zal nog een systeem van de firma D getest worden op het SCK•CEN. Dit systeem is een flat panel detector. Deze flat panel detector is een real time en radiografisch digitaal X-stralen systeem. Op de siliconen sensor bevindt zich een laag CsI scintillator. Deze scintillator zet de X-stralen om in licht.
Fig. 176.1 Receptor, Command Processor and Power Supply
Receptor Module
Fig. 176.2 Dimensies Receptor Module
177
Technical Specifications Receptor Type Conversion Screen Standard Optional Pixel Area Total Active Pixel Matrix Total Active Pixel Pitch Limiting Resolution
Amorphous Silicon Gd2O2S:Tb Kodak Lanex Regular Cesium Iodide 19.5 (h) x 24.4 (v) cm (7.68 x 9.6 in) 17.9 (h) x 23.8 (v) cm (7.05 x 9.38 in) 1,536 (h) x 1,920 (v) 1.408 (h) x 1.888 (v) 127 µm² 3.94 lp/mm at 5 frames per second 1.97 lp/mm at 25/30 fps MTF, X-Ray >35% 2 lp/mm with standard screen at 80 kVp Energy Range Standard 40 - 150 kVp High Energy Option 70 - 1,000 kVp Fill Factor 57% Dynamic Range > 2000:1 Spectral Response 400-700 nm; 550 nm peak Contrast Ratio Large Area (10%): > 100:1 Small Area (10mm): > 50:1 Signal Capacity >5,000,000 electrons per pixel Lag 2%, third frame Gamma 1 Scan Method Progressive, unidirectional Data Output High-speed serial, twisted pair A/D Conversion 12-bits + 1/2 LSB integral linearity Frame Rate 1 fps - 30 fps Exposure Window Internal Sync: 0.9 second External Sync: 200 seconds Non-Uniformity 1% of full scale maximum after dark current and sensitivity correction inside active area Maximum Inactive Lines 10 total rows and columns, minimum separation 16 lines Maximum Inactive Pixels Total <1,500 Temperature Range 10-30ºC case temperature. Cooling is required for case temperature >30ºC Power Dissipation 15 watts (50 BTU/hour) Maximum Entrance Dose 1 mR
Mechanical specification Size cm (inches) Standard High Energy Option Weight/with lead cap Standard High Energy Option Housing Material Sensor Protection Material Mounting Provisions
26.67 x 31.75 (10.5 x12.5) 65.53 x 42.15 (25.8 x 16.6) 5 kg (11 lb)/9 kg (20 lb) 22.73 kg (50.5 lb)/10.35 kg (23 lb) Aluminium Carbon fiber plate, 2.5 mm thick plus 0.25 mm thick aluminum Mounting holes front and rear faces 1/4-20 thread, 0.79 (0.31”) depth minimum
178
Command Processor
Fig. 178.1 Dimensies Command Processor Mechanical Size Weight Mounting
Control Interfaces Ports
Protocols Connectors
X-Ray Generator Automatic Brightness Stabilization (optional) Signal Detection Handshaking Connector Image Acquisition Modes Standard Fluoro
Full-Resolution
Zoom Fluoro
6.17 x 27.9 x 25.8 cm (h x w x d) (2.43 x 10.98 x 10.16 inches) 3.5 kg (8 lb) Bench; mounting holes front and rear faces. 1/420 thread, 0.79 (0.31”) min
1-Ethernet 10BaseT 2-Serial RS-232C 12-opto-coupled inputs, 12-opto-coupled outputs Ethernet: TCP/IP Sockets Serial: AIA A15.08/7 Ethernet: RJ-45 Serial: 9-pin D-subminiature (2) I/O: 50-pin D-subminiature
+/- 10volt, +/- 15 mA 0 - 20 volt 15 mA complimentary pair Digital windowed histogrammer Via software or contact closures 15-pin D-subminiature
768 (h) x 960 (v) (2 x 2 binned) 25 or 30 frames per second Progressive Scan 1,536 (h) x 1,920 (v) 6.25 or 7.5 frames per second Progressive Scan 768 (h) x 960 (v) Factory set: Center, Left-center, or Right-center 25 or 30 frames per second
179
Progressive Scan Fluoro modes: 768 (h) x 960 (v) matrix 704 (h) x 944 (v) active image data 1,536 (h) x 1,920 (v) matrix 1,408 (h) x 1,888 (v) active image data Internal Crystal, External V Drive Front-Panel LED
Data Matrix Output
Full-Resolution Mode Sync Source Lock Indicator Main Image Processing Non-uniformity Correction Blemish Compensation
12- bit, gain and offset Automatic detection Linear nearest neighbor interpolation Automatic acquisition One set per scan rate 12-bit parallel image data, Pixel clock, Data valid, H Sync, V Sync 50-pin SCSI-2
Correction Data Digital Video Output Connector Supplementary Image Processing Recursive Filtering Analog Video Output Scan Conversion
Analog Video Output Connector (optional) Gamma Correction (optional) Digital Video Output (optional) Last Image Hold
Single-pole, Range 0 to 100% Can be factory set to one of: 525 line / 60 Hz / interlaced 625 line / 50 Hz / interlaced 1,049 line / 60 Hz / interlaced 1,249 line / 50 Hz / interlaced BNC and 15-pin D-subminiature 12- to 8-bit programmable lookup table 8-bit parallel Automatic on contact closure
Power Supply
Fig. 179.1 Dimensies power supply
180
Power Input Consumptio Size Weight Mounting
100-240 VAC; 50-60 Hz 400 Watts (max) 7.0 x 27.9 x 30.9 cm (2.75 x 10.98 x 12.19 inches) (h x w x d) 4.4kg (10 lb) Bench; stack on command processor. Rack mount adapter optional.
Cables Receptor to Command Processor Options Power Supply to System Option
5.5 m (18 ft) 15.25 m (50 ft.), 30.4 m (100 ft.) 0.3 m (1 ft.) 0.6 m (2 ft.)
181
6.7.2 Firma E
We zijn momenteel op zoek naar een leverancier van de beeldversterker die men in Cadarache gebruikt. Hierover hebben we nog niet zoveel gegevens.
Fig. 181.1 Foto beeldversterker Deze X-stralen beeldversterker heeft een hoge gain en een hoge resolutie, is compact en is speciaal ontworpen voor niet-destructief X-stralenonderzoek van kleine details. Main features High resolution High sensitivity No distortion Non sensitive to stray magnetic fields Wide X-ray energy coverage Large useful area Variable gain Specifically designed power supply
10 lp/mm > 50% X-ray absorption at 59.54 keV
30 - > 200 keV 40 mm over a range > 1000
General Overall dimensions Input window material Output window material Output Phosphor screen
Tube: 78 x 30 mm Power supply: 30 x 60x 90 mm or smaller 0.1 mm thin stanless steel Glass with AR coating and stray light absorber P20
182
Tabel 182.1 visueel overzicht van de uitgevoerde testen op de verschillende digitale systemen CCD met fiber optic
Koper draadje met diameter 0.7 mm
Loden tablet met gaatje diameter 1.0 mm
Inconel veer
Lasnaad van de stop
CCD met Xstralen beeldversterker
Niet gemeten
Niet zichtbaar
Optisch gekoppelde CCD
Sensor-panel imager
183
6.8
Besluit
Tabel 183.1 Overzicht van de uitgevoerde testen op de verschillende digitale systemen Klassieke CCD met XCCD met film stralen fiber optic systeem beeldversterker Resolutie koperen draadjes (lucht)
0.2 mm
Niet gemeten
0.7 mm
0.7 mm
Niets zichtbaar
Zichtbaar tot 1 mm, maar niet even duidelijk als op klassieke film systeem
Zichtbaar tot 1 mm, maar niet even duidelijk als op klassieke film systeem
Zichtbaar tot 1 mm, maar niet even duidelijk als op klassieke film systeem
Ja
Ja
Ja
Ja
Ja
Ja
Moeilijk
Ja
Ja
Ja
Neen
Ja +/- 25000 Euro CCD camera in X-stralenbundel -> oplossing: Tapered FOP
minder
Ja
+/- 25000 Euro
+/- 25000 Euro
minder +/- 50000 Euro
Prijs
Duurzaamheid
Implementatie in de bestaande infrastructuur Algemene indruk van de kwaliteit van het beeld
Sensorpanel imager
0.7 mm
Resolutie loden Beter dan 1 mm tabletten
Zichtbaarheid van de veer Zichtbaarheid van de lasnaad van de stop Ruis
Optisch gekoppelde CCD
Goed
+/- 2 jaar
Goed want CCD Sensor panel camera werd uit in X-stralende X-stralenbundel bundel geplaatst
Implementeerbaar
Dimensies zijn te groot -> niet implementeerbaar
Implementeerbaar mits enige aanpassingen
Implementeerbaar mits enige aanpassingen
Goed
Goed
Niet zo goed
Goed
184
Bijlage 1: Attenuatiecoëfficiënt van de verschillende materialen In de elk 7 tabellen kan u in de linker kolom de verschillend energieniveaus bekijken. Voor elk energieniveau is er een bepaalde massa-attenuatiecoëfficiënt uitgedrukt in [cm²/g] die u terugvindt in de middelste kolom. In de rechtse kolom bevindt zich de lineaire attenuaticoëfficiënt uitgedrukt in [1/m]. Deze bekom je door de massa-attenuaticoëfficiënt te delen door 10 en daarna te vermenigvuldigen met de dichtheid van het materiaal De dichtheden van de verschillende materialen zijn: (JOHNS and CUNNIGHAM, 1969) ρlucht = 1.205 kg/m³ ρpolyethyleen = 930 kg/m³ ρplexiglas = 980 kg/m³ ρaluminium = 2699 kg/m³ ρtin = 7298 kg/m³ ρkoper = 8960 kg/m³ ρlood = 11360 kg/m³
Tabel 184.1 Attenuatiecoëfficiënt van lucht (JOHNS and CUNNIGHAM, 1969)
Lucht E (keV) 10 15 20 30 40 50 60 80 100 150 200 300 400
µ/ρ (cm²/g) 4.910 1.522 0.733 0.339 0.242 0.205 0.186 0.165 0.154 0.135 0.123 0.106 0.095
µ (1/m) 0.5197 0.1864 0.0884 0.0409 0.0293 0.0247 0.0224 0.0200 0.0186 0.0163 0.0149 0.0129 0.0115
185
Tabel 185.1 Attenuatiecoëfficiënt van polyethyleen (JOHNS and CUNNIGHAM, 1969)
Polyethyleen E (keV) 10 15 20 30 40 50 60 80 100 150 200 300 400
µ/ρ (cm²/g) 2.040 0.737 0.425 0.268 0.225 0.207 0.196 0.183 0.173 0.154 0.140 0.122 0.109
µ (1/m) 189.720 68.541 39.525 24.924 20.925 19.251 18.228 17.019 16.089 14.322 13.020 11.346 10.137
Tabel 185.2 Attenuatiecoëfficiënt van plexiglas (JOHNS and CUNNIGHAM, 1969)
Plexiglas E (keV) 10 15 20 30 40 50 60 80 100 150 200 300 400
µ/ρ (cm²/g) 3.310 1.070 0.550 0.300 0.233 0.205 0.191 0.176 0.165 0.146 0.133 0.115 0.103
µ (1/m) 325.373 105.181 54.556 29.490 22.903 20.151 18.775 17.300 16.219 14.351 13.073 11.304 10.124
186
Tabel 186.1 Attenuatiecoëfficiënt van aluminium (JOHNS and CUNNIGHAM, 1969)
Aluminium E (keV) 10 15 20 30 40 50 60 80 100 150 200 300 400
µ/ρ (cm²/g) 26.200 7.900 3.390 1.120 0.565 0.367 0.277 0.201 0.170 0.138 0.122 0.104 0.092
µ (1/m) 7071.380 2132.210 914.961 302.288 152.495 99.053 74.762 54.249 45.883 37.246 32.927 28.069 24.992
Tabel 186.2 Attenuatiecoëfficiënt van tin (JOHNS and CUNNIGHAM, 1969)
Tin E (keV) 10 15 20 30 40 50 60 80 100 150 200 300 400
µ/ρ (cm²/g) 141.600 45.800 21.200 42.100 18.770 10.200 6.3400 3.070 1.720 0.634 0.330 0.165 0.116
µ (1/m) 103339.680 33424.840 15471.760 30724.580 13698.346 7443.960 4626.932 2240.486 1255.256 462.693 240.834 120.344 84.876
187
Tabel 187.1 Attenuatiecoëfficiënt van koper (JOHNS and CUNNIGHAM, 1969)
Koper E (keV) 10 15 20 30 40 50 60 80 100 150 200 300 400
µ/ρ (cm²/g) 224.200 74.100 33.700 10.900 4.880 2.610 1.600 0.768 0.462 0.233 0.157 0.112 0.094
µ (1/m) 200883.200 66393.600 30195.200 9766.400 4372.480 2338.560 1433.600 688.128 413.952 199.808 140.672 100.352 84.403
Tabel 187.2 Attenuatiecoëfficiënt van lood (JOHNS and CUNNIGHAM, 1969)
Lood E (keV) 10 15 20 30 40 50 60 80 100 150 200 300 400
µ/ρ (cm²/g) 136.600 114.700 85.500 29.100 13.800 7.710 4.870 2.370 5.780 2.070 1.014 0.406 0.233
µ (1/m) 155177.600 130299.200 97128.000 33057.600 15676.80 8758.560 5532.320 2692.320 6566.080 2351.520 1151.904 461.216 264.688
188
Voor elk materiaal is er een aparte grafiek gemaakt met op de y-as de lineaire attenuatiecoëfficiënt en op de x-as de verschillende energieniveaus.
Attenuatiecoëfficiënt van lucht 0,70 0,60
µ (1/m)
0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
E (keV)
µ (1/m)
Attenuatiecoëfficiënt van polyethyleen 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0
50
100
150
200
250
E (kV)
300
350
400
450
189
Attenuatiecoëfficiënt van plexiglas 350 300
µ (1/m)
250 200 150 100 50 0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
400
450
E (keV)
Attenuatiecoëfficiënt van aluminium 8000 7000
µ (1/m)
6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0
50
100
150
200
250
E (keV)
300
350
190
Attenuatiecoëfficiënt van tin 120000 100000
µ (1/m)
80000 60000 40000 20000 0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
E (kV)
µ (1/m)
Attenuatiecoëfficiënt van koper 220000 200000 180000 160000 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 0
50
100
150
200
250
E (keV)
300
350
400
450
191
Attenuatiecoëfficiënt van lood 180000 160000 140000
µ (1/m)
120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 0
50
100
150
200
250
E (keV)
300
350
400
450
192
Om de attenuatiecoëfficiënten van de verschillende materialen met elkaar te vergelijken zijn ze allemaal op 1 grafiek gezet
Attenuatiecoëfficiënt van de verschillende materialen 250000
µ (1/m)
200000 150000 100000 50000 0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
E (kV) Lucht
Polyethyleen
Plexiglas
Aluminium
Koper
Tin
Lood
450
193
Om een beter zicht te krijgen op de geleidelijke overgang tussen de attenuatiecoëfficiënten is er een aparte grafiek gemaakt voor de materialen met een kleine dichtheid nl. lucht, polyethyleen en plexiglas. Er is tevens ook een aparte grafiek voor de materialen met een grote dichtheid nl. aluminium, tin, koper en lood.
Attenuatiecoëfficiënt van lucht, polyethyleen en plexiglas 200
µ (1/m)
150 100 50 0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
E (kV) Lucht
Polyethyleen
Plexiglas
Zoals u op de grafiek kan zien, is de ligging van de rode en de groene grafiek bijna identiek. Daarom werd er geopteerd om één van de twee te elimineren. Aangezien polyethyleen niet beschikbaar was in het atelier op het SCK•CEN werd de keuze gemaakt om dit materiaal niet te gebruiken.
194
µ (1/m)
Attenuatiecoëfficiënt van aluminium, tin, koper en lood 20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
E (kV) Aluminium
Tin
Koper
Lood
Zoals u op de grafiek kan zien, is de ligging van de rode en de lichtblauwe grafiek bijna identiek. Daarom werd er geopteerd om één van de twee te elimineren. Aangezien tin niet beschikbaar was in het atelier op het SCK•CEN werd de keuze gemaakt om dit materiaal niet te gebruiken. De materialen die we gebruikt hebben zijn dus lucht, plexiglas, aluminium, koper en lood omdat bij we bij deze materialen een geleidelijke overgang tussen de attenuatiecoëfficiënten hebben.
195
Besluit Uit deze studie kunnen we verschillende parameters halen voor het klassieke filmsysteem. Eén van deze parameters is de densiteit waartussen het beeld moet liggen om een goed contrast te bekomen: 1 - 2.8. Boven densiteit 2.8 wordt de film volledig ondoorzichtig. Een andere parameter is de beste bereikbare instelling ( belichtingswaarde [mAmin], buisspanning [kV]) van de X-stralenbron bij continue beweging en een bron - naald afstand van 740 mm ⇒ Voor de zone naast de brandstof: 130 - 150 kV en 2.6 mAmin (buisstroom: 4 mA, snelheid wagen: 12 mm/min, snelheid cassette: 15 mm/min) ⇒ Voor de zone boven de brandstof: 370 - 400 kV en 5.3 mAmin (buisstroom: 4 mA, snelheid wagen: 6 mm/min, snelheid cassette: 7.5 mm/min) Een volgende parameter is de resolutie boven de loden tabletten. Deze is beter dan 1 mm. Nog een parameter is de resolutie boven de koperen draadjes. Deze is 0.2 mm. Een laatste parameter is dat de geometrische onscherpte bij een bron - naald afstand van 740 mm gelijk is aan 0.45 mm. Uit deze haalbaarheidsstudie kunnen we besluiten dat de CCD met fiber optic niet geschikt is omdat we boven de brandstoftabletten geen beelden kunnen bekomen. De gevoeligheid voor de X-stralen in het energiegebied 300 tot 400 keV is onvoldoende. We kunnen ook besluiten dat CCD met X-stralen beeldversterker de beste resultaten geeft, maar het probleem hier is dat het systeem qua dimensies niet implementeerbaar is in de bestaande infrastructuur. Het uitbranden van de beeldversterker bij overbelichting kan voor de opstelling op LHMA ook een wezenlijk probleem zijn daar men niet kan anticiperen op de inhoud van de naald. De overbelichting bovenaan en onderaan de naald die steeds aanwezig is bij continue scanning geeft eveneens overbelasting en eventueel doorbranden van de beeldversterker. De optisch gekoppelde CCD is wel implementeerbaar in de bestaande infrastructuur maar de beeldkwaliteit is hier iets minder. Ook de sensor panel imager is implementeerbaar in de bestaande infrastructuur maar hier is de hoge prijs dan weer een nadeel. Ook de beeldkwaliteit zou bij dit systeem nog beter moeten. De algemene conclusie is dus dat geen enkele van de geteste systemen geschikt is om een volledige brandstofnaald te doorlichten. De CCD met X-stralen beeldversterker, de optisch gekoppelde CCD en de sensor panel imager zijn wel geschikt voor het controleren van de lassen van de naaldstoppen. Aan de hand van deze studie heeft men toch een goed overzicht van de beschikbare systemen en de factoren waar men in de verdere zoektocht rekening mee moet houden.
196
Bibliografie Boeken: AGFA-GEVAERT. Industriële radiografie: Holografisch niet-destructief materiaalonderzoek. Mortsel, Agfa-Gevaert, 160 p. FROST, Brian R.T., 1982. Nuclear Fuel Elements. First Edition, Illinois USA, Pergamon Press. JOHNS, Harold Elford, 1964. The physics of Radiology. Seconde edition, Revised Second Printing, Springfield Illinois USA, Charles C Thomas, Bannerstone House, 767 p. JOHNS, Harold and CUNNINGHAM, John, 1983. The physics of radiology. Springfield Illinois USA, Charles C Thomas, 852 p. JOHNS, Harold and CUNNINGHAM, John, 1969. The physics of radiology. Third Edition, Springfield Illinois USA, Charles C Thomas, 800 p. MICHETTE, A.G. en BUCKLEY, C.J., 1993. X-ray science and technology. United Kingdom, Bookcraft, Bath, 369 p. MULDER, J.D. en VAN VOORTHUISEN, A.E. (red), 1985. Leerboek radiodiagnostiek. Utrecht/Antwerpen, Bohn, Scheltema & Holkema, 245 p. SCHAEKEN, Bob, 1991. Radiodiagnostiek: klassieke radiologie en digitale radiologie. Postgraduale Lessencyclus IHGL-Mol. SELMAN, Joseph, 1955. The fundamentals of X-ray and Radium Physics. Second Printing, Springfield Illinois USA, Charles C Thomas, 340 p. SELMAN, Joseph, 1962. The fundamentals of X-ray and Radium Physics. Third Edition, Second Printing, Springfield Illinois USA, Charles C Thomas, 364 p. SHILLING, Charles Wesley, 1960. Radiation. New York and London, Grune & Stratton, 223 p. THURN, Von Peter und BÜCHELER, Egon, 1982. Einführung in die Röntgendiagnostik. Stuttgart und New York, Georg Thieme Verlag, 546 p. VAN DER PLAATS, G.J., 1956. Medische Röntgentechniek. Tweede druk, Lochem, N.V. Uitgeversmaatschappij de Tijdstroom, 373 p. YOUNG, M.E.J., 1967. Radiological physics. Second edition, London, H.K. Lewis & Co; Ltd., 601 p. Brochure: GOVAERTS, Paul, 1999. Klaar voor de 21ste eeuw. Brochure, SCK•CEN, 32 p.
197
Internet: http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science http://micronmetals.com http://ndt.agfa.com http://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef http://www.brutsaert.be http://www.canon.com http://www.cs.kun.nl/~ths/rt2RT2 http://www-cxro.lbl.gov/optical_constants http://www.esn.nl http://www.fimet.fi http://www.fontys.nl/techniek/medtech/rontgen.htm http://www.hamamatsu.com http://www.hef.kun.nl/~pfk/teaching http://www.hotz.be http://www.kodak.com http://www.lambert-instruments.com http://www.nikon.com http://www.nrg-nl.com http://www.nucleaire.nl/pattech/camera.htm http://www.polaroid.com http://www.rxbrugge.be/ned.apparatuur.asp http://www.specialmetals.com http://www.spector.be http://www.students.cs.uu.nl/people http://www.varian.com
