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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Objektes mithilfe von Neutronen.
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Für viele Anwendungen ist es notwendig, Objekte, insbesondere massive Objekte bzw. Komponenten zu untersuchen, ohne sie zu beschädigen bzw. zu zerstören. Fehler, die bei der Herstellung von Komponenten bzw. Objekten auftreten, sind nach Auslieferung der Objekte an Kunden unter Umständen nicht mehr behebbar. Daher wird nach der Herstellung von massiven Objekten bzw. Komponenten oder Bauteilen in vielen Unternehmen eine intensive Qualitätsprüfung durchgeführt. Beispielsweise werden bei der Herstellung von Flügeln für Windräder oder großen Wellen die hergestellten Objekte einer intensiven Qualitätsprüfung unterzogen, um insbesondere Fehlgüsse oder Risse, welche die mechanische Stabilität der Komponenten beeinträchtigen können, zu erkennen. Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die Überprüfung von Turbinenschaufeln bei regelmäßigen Wartungsmaßnahmen.
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Herkömmliche zerstörungsfreie Prüfungsverfahren umfassen z.B. die Prüfung basierend auf Ultraschallsignalen, Röntgen- oder Gammastrahlen. Diese herkömmlichen Verfahren sind jedoch bei massiven metallischen Körpern, wie beispielsweise Windrädern oder großen Wellen, nur eingeschränkt einsetzbar. Der Grund hierfür liegt darin, dass elektromagnetische Strahlen sich in einem dichten Material nur relativ schlecht ausbreiten und in Abhängigkeit von der Dichte absorbiert werden. Hierfür sind bei Röntgenstrahlen und Gammastrahlen vor allem die Ladungen in der Atomhülle verantwortlich, die mit der jeweiligen Strahlung in Wechselwirkung tritt.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Objektes zu schaffen, das aus einem dichten Material besteht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Objektes mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Die Erfindung schafft demnach eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Objektes mit:
einer innerhalb einer Moderationskammer befindlichen Neutronenquelle, welche isotrop Neutronen ausstrahlt, die an einer Innenwand der Moderationskammer reflektiert werden und durch eine in der Moderationskammer befindliche Öffnung austreten, wobei die aus der Moderationskammer austretenden Neutronen durch mehrere ineinander geschachtelte Neutronen-Spiegelflächen auf einen innerhalb des zu untersuchenden Objektes liegenden Brennpunkt fokussierbar sind, wobei die aus dem zu untersuchenden Objekt austretenden Neutronen mittels eines Neutronendetektors detektierbar sind.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Objektes eignet sich insbesondere zur Untersuchung eines Objektes mit hoher Dichte, insbesondere eines aus Metall bestehenden massiven Körpers, beispielsweise Windrädern, mechanischen Wellen oder Turbinenschaufeln.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass zur Untersuchung eines eingebauten Objektes dieses zur Untersuchung nicht ausgebaut werden muss.
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Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Neutronenquelle eine radioaktive Neutronenquelle, welche Neutronen ausstrahlt, die durch spontane Spaltung eines radioaktiven Isotopenmaterials erzeugt werden.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Neutronenquelle einen Linearbeschleuniger auf, der Ionen derart beschleunigt, dass die Ionen auf ein Zielmaterial treffen und dort in einem Fusionsprozess Neutronen generieren.
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Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die aus der Öffnung der Moderationskammer austretenden Neutronen eine Energie von mehr als 1 MeV auf.
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Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht die Innenwand der Moderationskammer aus einem leichten Material, das geeignet ist, Neutronen zu reflektieren.
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Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen die Neutronen-Spiegelflächen aus einem leichten Material, das geeignet ist, Neutronen zu reflektieren.
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Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das leichte Material für die Innenwand der Moderationskammer und/oder die Neutronen-Spiegelflächen Polyethylen auf.
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Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das leichte Material für die Innenwand der Moderationskammer und/oder die Neutronen-Spiegelflächen Graphit auf.
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Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das leichte Material für die Innenwand der Moderationskammer und/oder die Neutronen-Spiegelflächen Aluminium auf.
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Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Neutronen-Spiegelflächen konzentrisch ineinander und rotationssymmetrisch zu einer optischen Achse angeordnet, die zwischen der Austrittsöffnung der Moderationskammer und dem innerhalb des zu untersuchenden Objektes liegenden Brennpunkt verläuft.
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Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die radioaktive Neutronenquelle als radioaktives Isotopenmaterial Californium 252 auf.
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Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die radioaktive Neutronenquelle als radioaktives Isotopenmaterial eine Zusammensetzung aus Americium und Beryllium auf.
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Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschleunigt der Linearbeschleuniger der Neutronenquelle Deuterium-Ionen, die auf Tritium als Zielmaterial auftreffen, wobei Neutronen mit einer Energie von 14,1 MeV generiert werden.
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Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das zu untersuchende Objekt zwischen den Neutronen-Spiegelflächen und dem Neutronendetektor derart bewegbar, dass der Brennpunkt innerhalb des zu untersuchenden Objektes wandert.
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Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden die aus der Öffnung der Moderationskammer austretenden Neutronen polychromatische Neutronenstrahlen.
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Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Neutronendetektor an eine Auswerteeinheit zur Auswertung der von dem Neutronendetektor ausgegebenen Signale angeschlossen.
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Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Objektes mit den in Patentanspruch 14 angegebenen Merkmalen.
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Die Erfindung schafft demnach ein Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Objektes mit den folgenden Schritten:
Erzeugen von Neutronenstrahlen;
Fokussieren der erzeugten Neutronenstrahlen auf einen innerhalb des zu untersuchenden Objektes befindlichen Brennpunkt; und
Detektieren der aus dem zu untersuchenden Objekt austretenden Neutronenstrahlen mittels eines Neutronendetektors.
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Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die erzeugten Neutronenstrahlen mittels mehrerer ineinander geschachtelter Neutronen-Spiegelflächen auf den innerhalb des zu untersuchenden Objektes befindlichen Brennpunkt fokussiert.
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Dabei bestehen die Neutronen-Spiegelflächen vorzugsweise aus einem leichten Material, das geeignet ist, Neutronen zu reflektieren, insbesondere aus Polyethylen, Graphit oder Aluminium.
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Die erzeugten Neutronenstrahlen werden vorzugsweise gebündelt. Die Bündelung der erzeugten Neutronenstrahlen vor dem Durchgang durch die Neutronenspiegelflächen erhöht den Neutronenfluss auf dem zu untersuchenden Objekt um ein Vielfaches.
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Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum zerstörungsfreien Untersuchen eines Objektes unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines möglichen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Objektes;
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2 eine Schnittansicht durch ineinander geschachtelte Neutronen-Spiegelflächen, die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt werden, zur Erläuterung von deren Funktionsweise;
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3 eine Ansicht auf ein mögliches Ausführungsbeispiel der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzten Neutronen-Spiegelflächen;
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4 eine Ansicht auf ein weiteres mögliches Ausführungsbeispiel der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzten Neutronen-Spiegelflächen; und
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5 ein einfaches Ablaufdiagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Objektes.
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Wie man in 1 erkennen kann, umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Objektes mehrere Einheiten. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 1 zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Objektes eine Moderationskammer 2 auf, in der sich eine Neutronenquelle 3 befindet, die isotrop Neutronen ausstrahlt. Die Neutronenquelle 3 befindet sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in der Mitte eines Hohlraums 4, welcher durch eine Wand 5 begrenzt wird. Der Hohlraum 4 ist bei einer möglichen Ausführungsform kugelförmig und bildet einen Hohlspiegel für die von der Neutronenquelle 3 isotrop ausgestrahlten Neutronen. Die Innenwand 5 der Moderationskammer 2, welche den Hohlraum 4 begrenzt, besteht vorzugsweise aus einem leichten Material, das geeignet ist, auftreffende Neutronen zu reflektieren. Bei einer möglichen Ausführungsform besteht die Wand 5 aus Polyethylen. Bei einer alternativen Ausführungsform besteht die Wand 5 innerhalb der Moderationskammer 2 aus Graphit. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform besteht die Hohlraumwand 5 aus Aluminium. Der Hohlraum 4 innerhalb der Moderationskammer 2 besitzt eine Öffnung 6. Die innerhalb der Moderationskammer 2 befindliche Neutronenquelle 3 strahlt Neutronen isotrop aus, wobei die ausgestrahlten Neutronen an der Innenwand 5 der Moderationskammer 2 reflektiert werden und durch die in der Moderationskammer 2 befindliche Öffnung 6 nach außen treten, wie in 1 dargestellt. Die Neutronenquelle 3 strahlt Neutronen isotrop in alle Raumrichtungen ab. Durch eine geeignete Reflektorgeometrie der Wand 5 kann die Effizienz in einem kleinen Raumwinkel erhöht werden.
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Die aus der Moderationskammer 2 durch die Öffnung 6 austretenden Neutronen werden durch eine Einrichtung 7 mit den optischen Eigenschaften einer Linse auf einen Brennpunkt BP fokussiert, der sich innerhalb des zu untersuchenden Objektes 8 befindet. Das zu untersuchende Objekt 8 besteht aus einem dichten Material, beispielsweise aus einem Metall oder einer Legierung. Weiterhin kann das zu untersuchende Objekt 8 beispielsweise auch aus Beton bestehen, das ebenfalls eine hohe Dichte besitzt. Bei einer möglichen Ausführungsform ist das zu untersuchende Objekt 8 eine mechanische Antriebswelle, die aus Metall besteht. Weiterhin kann es sich bei dem zu untersuchenden Objekt 8 um ein Windrad oder eine Turbinenschaufel handeln. Das zu untersuchende Objekt 8 ist vorzugsweise bewegbar gelagert, sodass der Brennpunkt BP innerhalb des zu untersuchenden Objektes 8 wandert. Bei einer möglichen Ausführungsform befindet sich das zu untersuchende Objekt 8 auf einem Tisch 9, dessen Position und Lage dreidimensional steuerbar ist. Die aus dem zu untersuchenden Objekt 8 austretenden Neutronen werden mittels eines Neutronendetektors 10 detektiert, der vorzugsweise plattenförmig ausgebildet ist. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der Neutronendetektor 10 mit einer Auswerteeinheit 11 verbunden, welche die aus dem Neutronendetektor 10 abgegebenen Messsignale auswertet. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Neutronenquelle 3 eine radioaktive Neutronenquelle, welche Neutronen isotrop ausstrahlt, wobei die Neutronen durch spontane Spaltung eines radioaktiven Isotopenmaterials erzeugt werden. Bei einer möglichen Implementierung weist die radioaktive Neutronenquelle 3 als radioaktives Isotopenmaterial Californium 252 auf. Bei einer alternativen Ausführungsform weist die radioaktive Neutronenquelle 3 als radioaktives Isotopenmaterial eine Zusammensetzung aus Americium und Beryllium auf. Dabei strahlt Americium Alphateile aus. Die auf Beryllium auftreffenden Alphateilchen führen zur Bildung von Neutronen. Bei einer möglichen Ausführungsform wird Americium 241 oder Americium 243 verwendet. Bei einer möglichen Ausführungsform weist die Neutronenquelle 3 einen Durchmesser von 10 bis 20 cm auf. Bei einer möglichen Implementierung hat die Moderationskammer 2 ein Volumen von etwa 1 m3 und ist transportabel. Die geringe Größe und das leichte Gewicht der Moderationskammer 2 erlaubt es, die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 zu dem zu untersuchenden Objekt 8 in einfacher Weise mit geringem Transportaufwand hinzubewegen. Daher kann das zu untersuchende Objekt 8 auch in eingebautem Zustand untersucht werden. Die in 1 dargestellte radioaktive Neutronenquelle 3 zeichnet sich durch eine lange Halbwertszeit von mehreren Jahren aus. Die aus der Öffnung 6 der Moderationskammer 2 austretenden Neutronen bilden polychromatische Neutronenstrahlen, welche durch die optische Einrichtung 7 auf den Brennpunkt BP innerhalb des zu untersuchenden Objektes 8 fokussiert werden. Hierzu weist die Einrichtung 7 mit optischen Eigenschaften mehrere ineinander geschachtelte Neutronen-Spiegelflächen auf. Diese Neutronen-Spiegelflächen bestehen aus einem speziellen leichten Material, welches geeignet ist, die von der Moderationskammer 2 ausgesendeten Neutronen zu reflektieren. Diese Neutronen-Spiegelflächen bestehen bei einer bevorzugten Ausführungsform aus Polyethylen. Weiterhin können die Neutronen-Spiegelflächen bei einer alternativen Ausführungsform aus Graphit hergestellt sein. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform bestehen die Neutronen-Spiegelflächen aus Aluminium. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Neutronen-Spiegelflächen der Einheit 7 konzentrisch ineinander und rotationssymmetrisch zu einer optischen Achse angeordnet, die zwischen der Austrittsöffnung 6 der Moderationskammer 2 und dem innerhalb des zu untersuchenden Objektes 8 befindlichen Brennpunkt BP verläuft, wie in 1 angedeutet.
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Die aus der Öffnung 6 der Moderationskammer 2 austretenden Neutronen weisen vorzugsweise eine Energie von mehr als 1 MeV auf. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform weist die Neutronenquelle 3 einen Linearbeschleuniger auf, der Ionen derart beschleunigt, dass die Ionen auf ein Zielmaterial treffen und dort in einem Fusionsprozess Neutronen generieren. Bei einer möglichen Implementierung beschleunigt der Linearbeschleuniger der Neutronenquelle 3 Deuterium-Ionen, die auf Tritium als Zielmaterial auftreffen, wobei Neutronen mit einer Energie von 14,1 MeV generiert werden. Durch die auf die Geometrie der Moderationskammer 2 speziell abgestimmten Einheit mit optischen Eigenschaften 7 ist es möglich, die Neutronenstrahlen auf den Bildpunkt BP zu fokussieren, sodass eine vergrößerte Abbildung kleinster Strukturen innerhalb des Objektes 8 möglich ist. Durch die Verwendung der Einheit 7 mit optischen Eigenschaften lassen sich die Strahlen mit sehr hoher Genauigkeit fokussieren, sodass eine hohe Lichtstärke gewährleistet ist. Die Spiegelflächen der Einheit 7 mit optischen Eigenschaften bestehen aus einem Material, das derart gewählt wird, dass es Neutronen reflektiert. Die aus der Moderationskammer 2 freigesetzten polychromatischen Neutronenstrahlen werden durch die Einheit 7 mit optischen Eigenschaften auf einen sehr kleinen Bereich innerhalb des zu untersuchenden Objektes 8 fokussiert. Hinter dem zu durchleuchtenden Objekt 8 befindet sich der für Neutronen sensitive Detektor 10. Die Auswerteeinheit 7 erzeugt aus den Ausgangssignalen des Neutronendetektors 10 entsprechende Bilder des zu untersuchenden Objektes 8. Die polychromatischen Neutronen erlauben einen energieabhängigen Informations- bzw. Datengewinn. Die erzielten hohen Lichtstärken haben den Vorteil, dass die erforderlichen Belichtungszeiten gering sind. Auf diese Weise können Objekte 8 schneller untersucht werden. Darüber hinaus ist es möglich, mehr Objekte 8 pro Zeiteinheit zu untersuchen. Der durch die Einheit 7 hervorgerufene Mikroskopeffekt führt zu einer Erhöhung der Bildauflösung. Durch die Moderationskammer 2 werden die erzeugten Neutronen zudem effizient genutzt.
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2 zeigt eine Schnittansicht durch eine Ausführungsform der Einheit 7 mit optischen Eigenschaften zur Erläuterung von deren Funktionsweise. Wie man in 2 erkennen kann, sind die aus der Austrittsöffnung 6 der Moderationskammer 2 austretenden Strahlen durch mehrere ineinander geschachtelte Neutronen-Spiegelflächen 12-i auf den Brennpunkt BP fokussiert. Die Neutronen-Spiegelflächen 12-i sind konzentrisch ineinander geschachtelt, wie in 2 dargestellt. Weiterhin sind die Neutronen-Spiegelflächen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisch zu einer optischen Achse angeordnet, die zwischen der Austrittsöffnung 6 der Moderationskammer 2 und dem innerhalb des zu untersuchenden Objektes 8 befindlichen Brennpunkt BP verläuft. Bei dem in 2 dargestellten Implementierungsbeispiel weist die Einheit 7 vier rotationssymmetrisch ineinander geschachtelte Neutronen-Spiegelflächen 12-1, 12-2, 12-3, 12-4 auf. Zwischen den Neutronen-Spiegelflächen befinden sich Kanäle für die Neutronenstrahlen. Die in 2 dargestellten Neutronen-Spiegelflächen bestehen aus einem leichten Material, das geeignet ist, Neutronen zu reflektieren. Das leichte Material ist beispielsweise Polyethylen, Graphit oder Aluminium. Wie man in 2 erkennen kann, nimmt der Abstand benachbarter Spiegelflächen 12-i mit dem Abstand zu der optischen Achse zu. Hierdurch nimmt die effektive Apertur in Richtung zu der optischen Achse ab. Die effektive Apertur in Richtung optischer Achse nimmt umso stärker ab, umso dicker die einzelnen Spiegelflächen sind. Dabei werden vorzugsweise Spiegelflächen 12-i verwendet, die möglichst dünn sind. Weiterhin steigt vorzugsweise der Winkel der Spiegelflächen zu der optischen Achse mit zunehmendem Abstand der Spiegelflächen zu der optischen Achse an. Bei einer möglichen Ausführungsform hat die Einheit 7 eine Geometrie entsprechend einer Wolter-Optik.
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3 zeigt eine Ansicht auf ein mögliches Ausführungsbeispiel der Einheit 7 mit optischen Eigenschaften. Man erkennt die vier rotationssymmetrisch ineinander geschachtelten Neutronen-Spiegelflächen 12-1, 12-2, 12-3, 12-4. Die Anzahl der ineinander geschachtelten Neutronen-Spiegelflächen kann variieren.
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4 zeigt eine Ansicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der Einheit 7 mit optischen Eigenschaften. Auch hier erkennt man die vier rotationssymmetrisch ineinander geschachtelten Neutronen-Spiegelflächen 12-1, 12-2, 12-3, 12-4. Die Anzahl der ineinander geschachtelten Neutronen-Spiegelflächen kann in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls variieren.
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Bei einer alternativen Ausführungsform werden die eingefallenen Neutronenstrahlen durch einen aus elliptischen und hyperbolischen Spiegelflächen bestehenden Satz senkrecht stehender Spiegelflächen zunächst in horizontaler Richtung fokussiert und treffen dann auf einen Satz horizontal stehender Spiegelflächen, die anschließend das Licht in vertikaler Richtung fokussieren.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum zerstörungsfreien Untersuchen eines Objektes. In einem ersten Schritt S1 werden Neutronenstrahlen erzeugt. Dies geschieht mithilfe einer Neutronenstrahlenquelle, beispielsweise einer radioaktiven Neutronenquelle oder einem Linearbeschleuniger.
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In einem weiteren Schritt S2 werden die erzeugten Neutronenstrahlen auf einen innerhalb des zu untersuchenden Objektes 8 befindlichen Brennpunkt BP fokussiert. Dies geschieht vorzugsweise durch mehrere ineinander geschachtelter Neutronen-Spiegelflächen.
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In einem weiteren Schritt S3 werden die aus dem zu untersuchenden Objekt 8 austretenden Neutronenstrahlen mittels eines Neutronendetektors 10 detektiert.
