DE3145046A1

DE3145046A1 - "verfahren und einrichtung zum erzeugen einer darstellung einer stroemungsmittelstroemung innerhalb eines hohlkoerpers"

Info

Publication number: DE3145046A1
Application number: DE19813145046
Authority: DE
Inventors: Michael Rowling Dr. Edgbaston Birmingham Hawkesworth; Peter Antony Eabry Redland Bristol Stewart; Roger Christopher Dr. Yate Bristol Witcomb
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1980-11-15
Filing date: 1981-11-12
Publication date: 1982-06-09
Also published as: FR2494446B1; JPH0123080B2; US4746795A; FR2494446A1; JPS57111414A; DE3145046C2

Description

Rolls-Royce Limited, 65 Buckingham Gate, London SViIE 6AT, England

Verfahren und Einrichtung zum Erzeugen einer Darstellung einer Strömungsmittelströmung innerhalb eines Hohlkörpers

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erzeugen einer Darstellung einer Strömungsmittelströmung innerhalb eines Hohlkörpers.

Die· Erfindung kann insbesondere zum Analysieren von Strömungsmittelströmungen innerhalb metallener Honlkörper, beispielsweise innerhalb von Triebwerken, Prüfstanden und Rohren, jedoch auch in der medizinischen Technik An- · wendung finden. Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Untersuchung von flüssigkeits- oder. Zweiphasenströmungen, ist aber auch-zur Untersuchung von Gasströmungen anwendbar. ■ ' ·

Zur'Bestimmung des Massenstromes in Rohren ist bereits eine mit diskontinuierlicher (impulsweiser) Neutronenaktivierung des Strömungsmittels arbeitende Technik bekannt. Dabc.1 wird eine durch das Rohr strömende Flüssigkeit mitttIs eines Neutronenstrahls bestrahlt, um in der Flüssigkeit ein radioaktives Isotop zu erzeugen.

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i£in stromab der Bestrahlungsstelle angeordneter Strahlendetektor erfaßt die Größe der in der vorbeiströmenden Flüssigkeit vorhandenen Radioaktivität, und aus dieser Information können die Strömungsgeschwindigkeit und die Dichte der Flüssigkeit berechnet werden (Druckschrift "Pulsed Activation Calibration Technique" von P./Kehler, vorgelegt.auf dem Ji Water Reactor Safety Research Information Meeting in Gaithersburg, November 1979)· Diese bekannte Technik liefert jedoch Informationen nur hinsichtlich einer Dimension.

Außerdem hat sich die Verwendung von.X-Y-Positionsfühlern bzw. von zweidimensionalen _Strahlen-"Kameras" zur Erfassung der Verteilung von in den menschlichen Körper eingeführten, mit Radioisotopen markierten Flüssigkeiten als Hilfsmittel zur Diagnose, bestimmter medizinischer Zustände durchgesetzt. Dabei lassen sich zwei Methoden unterscheiden, die auf Gammastrahlen emittierenden Isotopen bzw. auf Positronen emittierenden Isotopen beruhen. Dabei handelt es sich einerseits um eine Einfachphotonenabbildung unter Verwendung einer Gammakamer-a und andererseits um eine Positronenemissionstomografie unter Verwendung einer Positronenkamera. Eine

c"5 Gammakamera ist. aus einem einfachen zweidimensionalen Detektor und"der zugehörigen Elektronik zur Bilderfassung, Verarbeitung und Anzeigedarstellung aufgebaut und.ar- ■ beitet mit einem schweren Metallkollimator und Impulshöhenselektion zur Diskriminierung der bildformenden Strahlung von der Hintergrund-Streustrahlung. Eine Positronentomografie-Kamera benötigt auf jeder Seite des Untersuchungsobjekts einen zweidimensionalen Detektor und einen kleinen Computer zum Empfang, Aufbau und zur Anzeige des Bildes, wobei die Diskriminierung zwisehen der gesuchten Strahlung und der Hintergrundstrahlung

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dadurch erfolgt, daß nur von beiden Detektoren erfaßte koinzidente Signale berücksichtigt werden, die durch die beiden, in exakt entgegengesetzten Richtungen emittierten (511 keV) Photonen erzeugt werden, wenn ein emittiertes Positron·, wenn es zur Ruhe kommt, mit einem Elektron durch PaarVernichtung zerfällt.

Bei der. Positronenemissionstomografie-Technik wird das angezeigte Bild aus der für eine gewählte Schnittebene des Untersuchungsobjekts aufgezeichneten Infor-

mat ion berechnet. Nur aufgrund von Zerfällen in" dieser Schnittebene auftretende Ereignisse erscheinen in der Abbildung, während, und darin liegt die Leistungsfähigkeit dieser Technik, in anderen Ebenen auftretende Zerfälle nur als mehr oder weniger gleichförmiger Hintergrund erscheinen. Darüberhinaus liefert diese Technik, da jede beliebige Schnittebene zwischen den Detektoren gewählt werden kann, eine dreidimensionale Information über das Untersuchungsobjekt.

Bisher steht jedoch noch kein Verfahren bzw. keine Einrichtung zur Verfügung, um auch an technischen Objekten Strömungsuntersuchungen zu ermöglichen, wenn höhere Anforderungen an die Qualität des Untersuchungsergebnisses gestellt werden.

Es ist klar, daß bei einer Anwendung dieser analytischen Techniken auf Untersuchungen an technischen Objekten die zu stellenden Anforderungen in erheblichem Maße anderer Art sind als diejenigen, die im medizinischen Bereich maßgeblich sind. Daher ist es nicht möglich, ein medizinisches Diagnosesystem einfach für maschinenbautechnische Anwendungen zu übernehmen, um eine St römungsmittelstromung, b ispielsweise eine ülströmung in Gasturbinentriebwerken j insbesondere bei laufendom Triub-

-sr- .

werk, sichtbar zu machen.

Die bei technischen Anwendungen zu bewältigenden Probleme .liegen unter anderem darin, daß die zu erb fassende Strahlung im Gegensatz zu medizinischen Anwendungen,- wo sie'nur einige Zentimeter menschliches Körpergewebe durchdringen muß, durch mehrere Zentimeter Metall hindurch gemessen werden muß, was eine hohe Energie und Aktivität der verwendeten Isotope erfordert, ■ 10 jedoch erfordern Umweltschutzgesichtspunkte gleichzeitig, daß die Radioaktivität in der näheren Umgebung befindliches Personal nicht gefährden darf.

Außerdem steht bei technischcin Anwendungen das 1-j · Erfordernis im Vordergrund, die tatsächliche Bewegung • der Strömung sichtbar zu machen, beispielsweise den Strömungsweg" des ein Maschinenlager schmierenden Öls . oder der ölleckströmung um Dichtungen oder Kolbenringe ■ herum. Das· zeitliche Auflösungsvermögen des Meßsystems stellt daher einen ebenso bedeutenden Faktor dar wie das raumliche Auflösungsvermögen.

Des weiteren ist es wichtig, die Beziehung zwischen der Strömung und dem umgebenden Werkstoff des Versuchs-Objekts zu kennen, beispielsweise von Rohren und Dichtungen, wenn die Untersuchung aufschlußreiche Meßergebnisse bringen soll.

Der Erfindung liegt daher, die Aufgäbe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zur Untersuchung der räumlichen Strömungsverteilung einer Strömungsmittelströmung innerhalb eines Hohlkörpers unter Anwendung einer radioaktiven Indikatortechnik zu finden, das dreidimensionale Informationen liefert und bei Gasströmungen, Flüssigkeitsströmungen oder auch Zwei-

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phasenströmurtgen anwendbar ist, und mit welchem sichtbare Darstellungen der gewonnenen Informationen • in einer Form herstellbar sind, die eine Vornahme von·Messungen der Strömung in verschiedenen Ebenen ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gemäß der"Erfindung durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst.

Die sich aus den Informationen ergebende Darstellung der Strömungsffiittelströmung wird vorzugsweise mittels eines Computers in Form einer Vielzahl von Tomogrammen erzeugt, von denen jedes auf οinerc Bildschirm angezeigt xferden kann. Die Darstellung Kann weiter verfeinert werden, indem die tomografischen Bilder unter Verwendung eines Sildrekonstruktions-Algorithmus rekonstruiert werden, um die Strömungsmittcjlströmung in jeder beliebigen Schnittt.-bune sichtbar zu machen. Die Anzeige auf dom J3ildschirm kanu auch eine ' gleichzeitige visuelle Darstellung der ilohlkörperstruktur umfassen, die von der hergestellten Darstellung der ■ räumlichen Struktur des Hohlkörpers abgeleitet wird, so daß die räumliche Verteilung der Strömungsmittelströraung ' in Relation zur räumlichen Struktur des Hohlkörpers

sichtbar ist. ' .

Die Darstellung der räumlichen Struktur des Hohlkörpers wird vorzugsweise mittels einer Computerdarstellungstechnik hergestellt und in einem Speicher gespeichert, der von dem das Tomogramm erzeugenden Computer abgefragt wird, um die entsprechenden uirnale zur Erzeugung des Tomogranims zu erhalten.

Bei einer Abwandluig der Erfindung wird das Isotop in Form einer Impulsreihe in das Strömungsmittel injiziert und die von der Detektoreinrichtung kommenden

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-JA-

Signale werden entweder vor oder nach dem Rechenvorgang mit der Impulsfrequenz torgesteuert, um einen Stroboskopeffekt in den sich ergebenden Bildern zu erzeugen.
b

Das Markierungsisotop wird vorzugsweise in einem Träijormcdium, das ebenfalls mit dem zu untersuchenden „. Strömungsmittel verträglich sein muß, in den Hohlkörper injiziert.
Iu . ·

Eine Einrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand des Anspruchs 11.

Als Isotopenquelle können Mittel zur Aktivierung lö eines mit dem zu untersuchenden Strömungsmittel verträglichen Trägermediums an Ort und Stelle mit geladenen Teilchen dienen, wobei das Trägermedium unmittelbar in die Strömungsmittelströmung innerhalb des Hohlkörpers • eingeleitet wird, oder zweckmäßiger ist die Isotopenquelle oin Isotopengenerator, der ein relativ kurzlebiges Tochterisotop speichert, bei welchem es sich um ein leicht abscheidbares R-Zerfallsprodukt eines langlebigen Mutterisotops handelt, das seinerseits durch Beschüß eines Targetmaterials mit geladenen Teilchen · erzeugt, werden kann. Das Tochterisotop wird unter Verwendung des genannten, mit dem zu untersuchenden Strömungsmittel verträglichen Trägermediums vom Mutterisotop abgeführt.

Bei den Detektoren kann es sich um jede geeignete Bauart einer Gamma- oder Positronenkamera handeln, vorzugsweise finden aber Positronenkameras einer Bauart mit Mehrfachdraht-Proportionalzählern Anwendung.

3d Die Erzeugung der Darstellung der räumlichen

Struktur des Kohlkörpers und seiner Werkstoffe, die Er-

*>. i 1 Si 1 3H5046

zcugung des Dämpfungsoignals und dio i.:.iivüfc des Ausgangssignals erfolgen vorzugsweise mittels eines oder mehrerer entsprechend programmierter Computer. · ·

·

• Die Erfindung wird nachstehend unter ßczugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise menr im einzeInen besenrieben. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 in schomatisclicr Darstcllui^. oi

ne si in richtung nacn dur zur Untoraucnuiig vou i^!'lü.3ui ^L^ivji3trüiuun_L;u)j iriiit-.r^alu ^.im...j uas-' turuinentrieuvierks, und . "

Fig. 2 in schematischer Form eine.Ab

wandlung der Anordnung nach Fig. 1, die eino stroboskopische Untersuchung dor i''lüüö.L erraügliciit.

-in Fig. 1 ist ein GasturbinentriebvicrK 10 bei welchem ein Teil des ül^yaterao zu uixtc Die Untersuchungseinrichtun^ weist einen l generator 11 auf, welchem ein Ventil 12 und eine Puiape die über eine ßedienungskorisoie lh steuerbar sind, zur Steuerung der Strömung eines geeigneten Tragermediums zugeordnet sind. Das Trägormedium wird von einer Quelle. zugeführt und gelangt nach Markiorun,, mit dön. /iar

jO .usotoy dur.cli i.im, !,citurij; Iu in (juh.-ιί rnjv,l:ti>r. IY einem Injoktiorisroiir kleiner bonruiig, d^r ,;o am T werk montiert ist, daß er das Trägermedium an tincr· genau definierten Stelle in das ülsyatoia des Triebwerks einleitet.

Das markierte Trieοworksöl gelangt durcu eine Aolaufleitung 18 in einen Sammelbehälter 19. Außerdem ist eine Spüleinrichtung vorgesehen, die eine Ölquelle 20 mit sauberem öl aufweist, das durch ein Ventil 21 in das Triebwerk eingeleitet werden kann, während ein Ventil 22 die weitere Zufuhr des Trägermediums absperrt. ' .

ZweiMehrfachdraht-Proportional'zähler 23 sind auf l-i einem ,Schlitten 24 montiert, der das Triebwerk teil-

weise umgreift und in Richtung der Triebwerksachse längs di.-ü Triebwerks verfalirbar ist. Die Proportionalzähler sind außerdem relativ zum Schlitten um die Triebwerksaciiso herum b&wegbar, so daß sie in der jeweils günstigsten 1-j. Position zum ämpfang der beim radioaktiven Zerfall des

eingebrachten Isotops entstehenden Strahlung positioniert • v/erden können.

Die von den Zählern erzeugten Signale können unmittelbar an eine SignalVerarbeitungseinrichtung 25 weitergeleitet werden, um eine Realzeitdarstellung der öl-.strömung zu erhalten, oder die Signale können, was zu bevorzugen ist, aufgezeichnet und in einem Speicher 26, ' beispielsweise auf Magnetband oder einer Magnetplatte, ö für eine spätere Verarbeitung gespeichert werden.

jiine v/eitere Eingangssignalquelle für die Signalverarbeitungseinrichtung 25 stellt eine Speichereinrichtung 28 dar, in welcher eine Darstellung der räumlichen

■30 'Struktur des Triebwerks und dessen Werkstoffe, .also die räumliche Werkstoffverteilung in dem Triebwerk, gespeichert ist·. Wie nachstehend noch im einzelnen beschrieben wird, ist mit Hilfe dieser gespeicherten Darstellung der räumlichen Jlohlkörperstruktur eine Modifizierung der Detektorausgangssignale unter Berücksichtigung der Dämpfung der Strahlung beim Durchgang durch die Triebwerkswand möglich.

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- JA -

Die verschiedenen Komponenten der in Pig. I schematisch dargestellten Anordnung werden nachstehend· mehr im einzelnen beschrieben.

Isotopenerzeugung:

Da kurzlebige Markierungsisotope erforderlich sind, wäre es unzweckmäßig, eine Herstellung der Isotope an einer entfernten Stelle in einem Kernreaktor und einen anschließenden Transport derselben zum Untersuchungsort in Erwägung zu ziehen. Ebenso wäre es als unzweckmäßige Beschränkung der Einsatzmöglichkeiten der UntersuchungsanOrdnung anzusehen, wenn die Untersuchung nur am Ort eines Kernreaktors durchgeführt werden konnte.

Zwei Methoden stehen zur Verfügung:

Bei der einen Methode findet ein tragb.arer Teilchenbeschleuniger, beispielsweise ein Zyklotron, An-Wendung, wobei das Isotop unmittelbar in das zu 'untersuchende Objekt injiziert wird.

Diese Möglichkeit ist in einem älteren Vorschlag-, im Zusammenhang mit der Untersuchung von Gasströmungen beschrieben.

Bei der zweiten, zu bevorzugenden Methode zur Untersuchung von Flüssigkeitsströmungen wird ein verhältnismäßig langlebiges Mutterisotop erzeugt, welches sich leicht in einem Isotopengenerator transportieren läßt und ein leicht abscheidbares /-»-Zerfallsprodukt mit kürzerer Halbwertszeit erzeugt, das als Markierungsisotop besser geeignet ist.

Das Mutterisotop v.ird durch Beschuio eines geeigneten Target-Materials unter Verwendung von beispiels-

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weise in einem Zyklotron produzierten Nuklearteilchun o;riseugt und dann zweckü Aufbewahrung und Transports in einen Isotopengenerator gebracht.

In dem Isotopengenerator, der in Fig. 1 mit bezeichnet ist, wird das Mutterisotop in geeigneter chemischer Form von einem Absorbermaterial absorbiert j beispielsweise von einem Ionenaustauschharz, das in einem auf geeignete Weise abgeschirmten Behälter untergebracht ist." Das Mutterisotop zerfällt allmählich in sein Tochterisotop, das bei Bedarf mittels des durch den. Behälter hindurchgepumpten Trägermediums aus dem liarz ausgespült und aus dem Behälter abgezogen ' wird. Da der /3 -Zerfall eine chemische Umwandlung

l'j vom Mutterisotop zum Tochterisotop bedingt, kann das Tochterisotop ohne Beinträchtigung des Mutterisotops abgeschieden werden.

Die nachstehende Tafel zeigt im einzelnen die Erzeugung einer Anzahl von für die vorliegende Anwendung geeigneten Isotopen. Die beiden gegenwärtig meist* versprechenden Isotope sind Ga ($ ) und Pr (/3 ⁺ ).'

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Isotop	Halbwerts zeit	Art und Energie der Emission	Bildungs reaktionen
10«	19,3 s	A⁺1,9 MeV yo,82 MeV (99 %)	¹⁰B(P,-n)
	20,3 min	/3*"-l,0 MeV, keine ψ -Str.	¹¹B(P, n) ^l4ii(p,oC)
¹V	9,96 min	/3⁺l,2 MeV, keine ψ -Str.	¹²C(d, n)
¹⁵O	122 s	/i⁺l,7 MeV, keine -f -Str.	¹⁴IUd, n) ¹⁶O(³He₅CA)
	110 min	/3⁺O,6 FeV, keine f -Str.	²⁰Ne (d, (X)
45_T.	3,0d h	/S¹" 1,0 MeV, geringe ^-Str.	in; ^Jüc(p, n) ·
⁶⁸Ga ·	68,3 min	ß⁺l,9 MeV, geringe ^-Str.	⁶^Qa(P, 2n)⁶⁸ue ⁶⁸Gc ²⁸⁰S ⁶⁸Ga '
99m_Tc	6,0 h'	■fl40 keV (90 Si)	⁹⁸MoCn, f) "Mo" ⁹⁹Mo ⁶⁶¹¹^⁹⁹¹¹¹Tc
¹⁴⁰Pr	3,4 min	^"2,3 MeV geringe ^ -Str.	¹⁴¹Pr(P, 2n)^l4°_Wd ^r

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Die Eignung der Isotope als Markierungen hängt von den folgenden Kriterien ab:

1) Die Halbwertszeit des Isotops muß verhältnismäßig kurz sein. Ein praktischer unterer Grenzwert der Halbwertszeit liegt bei etwa 10 s, und wenn eine Gasströmung untersucht wird, die in die Außenluft austreten kann, sollte man mit Halbwertszeiten in. dieser Größenordnung arbeiten, um eine Kontaminierung der

Iu Umgebung-zu vermeiden. Wird dagegen die Strömung einer , Flüssigkeit untersucht, die aufgefangen und aufbewahrt werden kann, können Isotope mit wesentlich längeren Halbwertszeiten verwendet werden. Der Begriff der relativ kurzen Halbwertszeit ist daher im Sinne eines

!•j Halbwertszeitbereiches zwischen 10 s und etwa einer Woche zu verstehen.

2) Der Energiepegel der emittierten Strahlung muß ausreichend hoch sein, damit die Strahlung die Wände

kO des Versuchsobjekts durchdringen kann, aber er muß

auch ausreichend niedrig sein, um eine differenzierte Erfassung durch die an der Außenseite des Testobjekts angeordneten Detektoren zu ermöglichen. Der untere ^w " Grenzwert der Strahlungsenergie liegt bei etwa 100 keV, während der bevorzugte Energiebereich etwa 200 keV bis 600 keV umfaßt.

3) Die Art der emittierten Strahlung ist wichtig.-. Viele radioaktive Zerfälle finden unter Emission von

/j0 Gammastrahlung und/oder von Positronen statt. Wegen des größeren Auflösungsvermögens einer koinzidenzzählenden Positronenkamera gegenüber demjenigen einer Gammakamera eignet sich die Positronenkamera besser zur Strömungsanalyse von Flüssigkeiten. Außerdem beträgt

3b der Wirkungsbereich des Positrons in der· Flüssigkeit

vor der Paarvernichtuhg nur einen Bruchteil eines Zentimeters, so daß sich der Ursprung eines Positronen emittierenden Zerfalls in Flüssigkeiten genauer ber stimmen läßt als bei der Strömungsanalyse von Gasströmungen. Infogedessen ist es bei der praktischen Anwendung zur Strömungsuntersuchung einer Flüssigkeit als wesentliches Erfordernis anzusehen, daß das Markierungsisotop ein Positronen emittierendes Isotop ist.

4) Weder das Markierungsisotop noch das Trägermedium darf zu einer nennenswerten schädlichen Reaktion mit den Bestandteilen des zu untersuchenden Strömungsmittels, im Versuchsobjekt neigen,- und auch hinsichtlich der Dichte müssen das Markierungsisotop und das Trägermedium mit dem untersuchten Strömungsmittel vereinbar sein.

5) -Die erforderliche Aktivität des Markierungsisotops, d.h. die Anzahl der Emissionen pro Zeiteinheit, hängt .in hohem Maße davon ab, ob flüssige oder gasförmige Strömungsmittel zu untersuchen sind, weiter von der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Versuchsobjekts, von der Dauer der Untersuchung, von der Materialdicke, welche von der Strahlung bis zum Erreichen der Detektoren zu durchdringen ist, und von der Halbwertszeit des gewählten Isotops. Versuche haben gezeigt, daß die erforderliche Gesamtaktivität bei einer typischen Untersuchung zur Gichtbaren Darstwllun_o einer Flüssigkeitsströmung mit einer ütrömungsgeschwindigkeit von 30 m/s bei einer zu durchdringenden Stahldicke von 50 mm etwa 10 Ci betragen soll. Derart hohe Aktivitätspegel sind erforderlich, um ein verbessertes räumliches Auflösungs\ermögen bei niaschinenbautechnisehen · Anwendungen zu ergeben, und sind also sehr viel größer als die in der medizinischen Technik verwendeten Akti-

vitäten, woraus besondere Probleme resultieren. Die Auswahl eines geeigneten Isotops für eine bestimmte Untersuchung wird stets einen Kompromiß zwischen den oben erläuterten Gesichtspunkten darstellen.

^: Strahlunfcserf assung:

Bei den Detektoren 23 handelt es sich um Mehrfach-" . draht-Proportionalzähler. Derartige Detektoren sind an sich bekannt und xverden daher nicht näher beschrieben. Jedoch wird bezüglich Konstruktion und Arbeitsweise eiries geeigneten solchen Detektors, der als positronenempfindlicher Neutronehdetektor bekannt ist, auf die unter der Nummer 2 000 632A veröffentlichte britische Ii? Patentanmeldung verwiesen.

Die von dem Markierungsisotop emittierten Positronen zerstrahlen bei Kollision mit Elektronen im Ol unter Paarvernichtung in zwei Photonen, die' gleich-3 zeitig in entgegengesetzten Richtungen emittiert werden.: Die Detektoren sind auf gegenüberliegenden Seiten des Triebwerks angeordnet, so daß sie derart positioniert sind, daß sie die entgegengesetzt gerichteten Photonen aufnehmen können. Die Detektoren liefern die Koordinaten ankommender Photonen, und indem die elektrische Schaltung der Detektoren so ausgelegt wird, daß sie nur bei koi'nzi den tem Empfang von Photonen Ausgangssignale erzeugen, s-ind diese Ausgangs signale Charakteristisch für die Richtungen der durch Paarvernichtung entstehenden Photonen. Diese richtungsdarstellenden Ausgangssignale werden weiterverarbeitet und ergeben eine Vielzahl von Tomogrammen, aus denen sich für jede beliebige Schnittebene des Versuchsobjekts ein Bild rekonstruieren läßt.

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Eine typische Kamerabelichtung für ein gutes Bild liegt bei 1 mCis pro Volumenelement (1 ml) des Versuchsobjekts. Innerhalb des gesamten interessierenden Photonenenergxebereichs beruht die Dämpfung sowohl in Körpergewebe als auch in Metall hauptsächlich auf dem gleichen Vorgang, nämlich der Compton-Streuung. Folglich ist bei der maschinenbautechnischen Anwendung der Radioisotopenabbildung für die gleiche äquivalente Objektdicke, den gleichen Isotop-Detektor-Abstand und die gleiche Bildauflösung die gleiche Belichtung wie in der medizinischen Technik erforderlich. J/olglich muß eine stabile und gleichförmige Strömungslinie mit

einem markierten Querschnitt von 1 cm und einer mittleren spezifischen Aktivität von 1 Ci/ml während einer Meßdauer von \Qr s aufrechterhalten werden.

Die in die Strömung injizierte Gesamtaktivität hängt daher also auch von der Strömungsgeschwindigkeit ab. Da der Detektorabstand bei einem Gasturbinentriebwerk größer als in der medizinischen Technik ist, ist es bei solchen Anwendungen erforderlich, Detektoren mit viel größerer Detektorfläche oder Isotope viel höherer Aktivität zu verwenden. Gegenwart ic; ist oa möglich, •Mehrfachdraht-Proportionalzähler in der Größe von ^O cm χ IUU cm Aufnahmefläche herzustellen, was die Verwendung nur zweier solcher Zähler ermöglicht. Für eine größere Auflösung kann jedoch eine zylindrische Anordnung hergestellt werden, welche den untersuchten Bereich vollständig umschließt.

Es ist' jedoch zu bemerken, daß, da Positronen vorwiegend am Ende ihrer Reichweite zerstrahlen, die in Flüssigkeiten nur einen Bruchteil eines Zentimeters beträgt, die obige Technik im allgemeinen zur Untersuchung von Flüssigkei^GGtrümungen Atiwendung findet, während eine Gammakamera hauptsächlich für Untersucnun^ori

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von Gasströmungen zweckmäßig ist, für welche gegenwärtige Methoden ungeeignet sind.

Bildrekonstruktion;
· · ·

Die Bildrekonstruktion erfolgt durch die Bildverarbeitungseinrichtung 25 j die einen Computer 30 und ■ · eine Sichtanzeigeeinheit 31 umfaßt. Eine Benutzerstation 32 dient zur Übermittlung von Instruktionen lü an den Computer, und eine Aufzeichnungseinheit 33 ist zum Aufzeichnen der .Bilder vorgesehen.

Die zur ßildrekonstruktion bei Untersuchungen unter Verwundung einer PoRitronenemiü3ionstechnik er-

l^lj · forderlichen gründsatzIicneη Algorithmen sind auf dem Gebiet der Medizin allgemein eingeführt und brauchen daher nicht im einzelnen beschrieben zu werden. Ein typischer Algorithmus ist der ART-Algorithmus, der in einem Artikel mit dem Titel "A Tutorial on ART (Algebraic Reconstruction Techniques)"-in "Transactions on Nuclear Science of the IEEE" (Institute of Electrical and Electronic Engineers), Band NS-21 vom Juni 197¹U Seiten "78 bis 93* beschrieben ist.

Der Computer empfängt die Detektorausgangssignale und erzeugt eine Anzahl von S chi ent ebenen-Tomogr aminen, Vielehe das interessierende Volumen innex-halb des Versuchsobjekts erfassen. Die normale Computerrechenoperation ist derart modifiziert, daß die Metalldicke oder sonstige Materialdicke, die von den Photonen zu durchdringen ist, berücksichtigt werden kann. Dazu wird eine gespeicherte Darstellung der räumlichen Strukturverteilung des Triebwerks, und der Werkstoffe des Triebwerks hergestellt. ·.

35- ' . . ■ . ■ ■ .

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dor räumlichen ;.;trukturvu.rt< L-lung ist in der Speichereinrichtung ZU gespeichert, box welcher es sich um einen besonderen Computer handelt und die als Teil der Bildverarbeitungseinrichtung betrachtet werden kann. Die Darstellung wird im Speicher des Computers unter Verwendung einer Standard-Bitmatrix und dem zugehörigen Programm aufgebaut, oder alternativ dazu'kann ein Lichtstift oder eine andere Eingabeeinrichtung Anwendung finden.

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Auf diese Weise wird eine Darstellung des gesamten Materials im Triebwerk, welches den untersuchten Teil des Ölsystems umgibt, aufgebaut und jedes Materialelement wird entsprechend seiner Strahlungsdämpfungs- eigenschaften codiert.

Die grundsätzlichen Schritte bei der Herstellung dieser Darstellung der räumlichen Materialstruktur des Versuchsobjekts sind folgende:
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1. Der Computerspeicher wird in eine An'zahl kleiner Speicherelemente aufgeteilt, denen jeweils ein gedachtes Volumenelement (Voxel) des den zu

^ untersuchenden Teil des ölsystems enthaltenden

Triebwerksvolumens zugeordnet ist. Diese Technik ist auf dem Gebiet der Computerdarstellungen allgemein bekannt.

2. In jedem Speicherelement, welchem ein ent-

sprechendes Volumenelement zugeordnet ist, ist ein Code gespeichert, beispielsweise eine Null zur Darstellung leeren Raumes.

3· Aus einer Zeichnung dos Triebwerks- wird der Umriß eines Me'oallteils, beispielsweise des

• Gehäuses, auf aine Bitmatrix gezeichnet und in

den, den betreffenden Volumenelementen zugeordneten Speicherelementen wird ein Code gespeichert, der die Dämpfungseigens'chaften der betreffenden Volumenelemente darstellt. Wenn ein ■ Teil des Triebwerks bezüglich der Triebwerksachse symmetrisch ist, wird es zweckmäßigerweise nur in Linienform dargestellt und der Computer angewiesen, diese Darstellung um 360° zu drehen, um ein Rotationskörpervolumen zu erzeugen und die den betreffenden Volumenelementen zugeordneten Speicherelemente mit den entsprechenden Dämpfungseigenschaften dieses Triebwerksteils zu codieren.

.4. Die Struktur der übrigen Teile des Triebwerks kann ebenfalls in dieser Weise entsprechend codiert eingespeichert x^erden, um die Darstellung der Triebwerksraumstruktur zu vervollständigen. Gewünschtenfalls kann bei der Kingabc eine Sichtanzeige der Darstellung hergestellt werden, und Werkstoffe mit unterschiedlichen Dämpfungseigenschaften können dabei in der Sichtdarstellung mit unterschiedlichen Farben dargestellt werden.

Die Ausgangssignale der Detektoren 23 stellen jeweils die Lmissionsrichtung eines einzigen festgestellten koinzidonton Photonenpaares dar. Jedes Signal gelangt üb.er eine Leitung 3^ zum Computer 30 und in den Triebwerksdarstellungscomputer 28.

Dor Computer 30 kann als aus drei Funktionseinheiten aufgebaut angesehen werden, nämlich aus einer Dämpfungssignaleinheit 3Oa* einer Signalmodifikationssinne it' 30b und einer Tomogrammerzeügungs- und BiIdrekonstruktionscinheit 30c. Für jedes Richtungssignal,

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das von den Detektoren 23 an den Computer 30 und den Computer 28 abgegeben wird, übermittelt der Computer 28 dem Computer 30 über eine Leitung 35 die Codes, die in denjenigen Speicherelementen gespeichert sind, welchen die von der durch das Signal dargestellten Richtung durchdrungenen Volumenelementen zugeordnet sind. Die Dämpfungssignaleinheit 30a des Computers 30 summiert die vom Computer 28 empfangenen Codes zwecks Erzeugung eines Dämpfungssignals, welches, die mittlere Dämpfung darstellt, die ein Photonenpaar bei Emission in der durch das Detektorausgangssignal dargestellten Richtung erfährt.

Bevor jedoch die Codes an den Computer 30 übermittelt werden, stellt der Computer 28 fest, ob die durch das Signal dargestellte Richtung überhaupt durch einen öl enthaltenden Raum des Triebwerks hindurchverläuft. Falls ja, werden die Codes in der oben beschriebenen Weise übermittelt, falls jedoch-nein, beispielsweise wenn das festgestellte koinzidente "Photonenpaar" in Wirklichkeit nicht durch die gleiche Positron-Elektron-Paarvernichtung entstanden ist, werden stattdessen Null-Codes übermittelt.

Die Modifizierungseinheit 30b des Computers 30 modifiziert dann das über die Leitung 30 empfangene Detektorausgangssignal zwecks Kompensation der Dämpfung, indem es das Signal mit einem Dämpfungskompensationsfaktor in Form der Größe des Dämpfungssignals kombiniert, um so ein dämpfungskompensiertes Detektorausgangssignal zu erzeugen.

Die Bildrekonstrtiktionseinheit 30c des Computers verarbeitet dann die dampfungskompensierten Detektorausgangssignale (unter Addition der Dämpfungskompensa-

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tionsfaktoren für jede einzelne Richtung zur Ableitung einer Resultierenden der festgestellten dämpfungskompensierten Radioaktivität in dieser Richtung) aufgrund eines Tomogramm-Rekonstruktionsalgorithmus,' bei- j . spielsweise des oben erwähnten ART-Algorithmus, zur

Erzeugung einer Anzahl von Schichtebenen-Tomogrannnen. ■ · Diese Tomogramme können im Aufzeichnungsgerät· 33 gespeichert werden.

Iu Aufgrund der Kombination der Maßnahmen der Dämpfungskompensation der Detektorausgangssignale und der· Nichtberücksichtigung der unechten Strahlungsrichtungen entsprechenden Detektorausgangssignale erreichen diese Tomogramme eine wesentlich höhere Qualität, als dies sonst möglich wäre.

Aufgrund einer über die Benutzerstation 32 eingegebenen Benutzeranfrage rekonstruiert der Computer 30 in an sich bekannter Weise aus den Schichtebenen-Tomo- . ^rammen ein Bild in jeder beliebigen, vom Benutzer vorgeschriebenen Schnittebene und zeigt dieses Bild auf der Sichtanzeigeeinheit 31 an. Dieses Bild kann ebenfalls in der Aufzeichnungseinheit 33 gespeichert werden.

2'3 In manchen Anwendungsfällen kann es ausreichen, nur ein oder mehrere Tomogramme sichtbar anzuzeigen, da diese eino höhere Auflösung haben als dies bisher möglich war, ohne daß -notwendigerweise daraus ein Bild rokonstruicrt zu werden braucht.

-■■"'.

J>io oiolitdarstellurifj; dor Triebwerksülströmung auf ck.-r ;'.iclitanzei£eoinhüit 31 kann weiter dadurch verbessert worden, daß in überlagerung damit ein entsprechendes Triebwerksschnittbild (beispielsweise aus

Sj dor im Computer 28 gespeicherten Triebwerks darstellung) in der betreffenden Schnittebene dargestellt wird.

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Fig. 2 zeigt eine Anordnung zur Erzeugung eines Stroboskopeffekts in der mittels der Anordnung nach Fig. 1 erzeugten Darstellung. Das Ventil 22 in der Leitung 16, durch welche das Trägermedium von der Pumpe zugeführt wird, -wird mittels eines Elektromagneten oder einer anderen, nicht gezeigten ge- , eigneten Vorrichtung schwingend betätigt, so daß im Injektor 17 eine pulsierende Strömung erzeugt wird. Die Steuerung der Impulsfrequenz erfolgt durch einen Regler 42, der außerdem ein Steuersignal an eine Torsteuereinheit 43 in der Signalleitung zwischen den Detektoren 23 und der Bildverarbeitungseinrichtung 2ö übermittelt. Durch Pulsieren des Ventils 22 mit einer Frequenz, die ein Vielfaches der üffnungs- und ochlie.ifrequenz der Torsteuereinheit 43 ist, kann die Darstellung auf der Sichtanzeigeeinheit 33 stroboskopartig erfolgen, so daß eine Messung der Strömungsgeschwindigkeit der ö'lströmung vorgenommen werden kann.

Claims

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PHIlIPPINE-WTiILSBB-STBASSB 14

AUGSBURG

XBI₁BFOH' 616475

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4 Λ ♦

Patentansprüche

; Iy Verfahren zürn Erzeugen einer Darstellung einer Strömungsmittelströmung innerhalb eines Hohlkörpers, gekennzeichnet durch folgende Maßnahmen:

a) Einbringen eines mit dom Strömungsmittel verträglichen radioaktiven Markierungsisotops in das Strömungsmittel,

' b) Erfassen der von dem Markierungsisotop emittier-

ten Strahlung mittels einer außerhalb dos Hohlkörpers angeordneten Detektoreinrichtung, welche der festgestellten Strahlung entsprechende Ausgangssignale erzeugt ,

!5 c) Erzeugen einer Darstellung der räumlichen Struktur des Hohlkörpers und dessen Werkstoffs,

d) Erzeugen von DämpfungsSignalen aufgrund.der Darstellung der räumlichen Hohlkörperstruktur, welche die Dämpfung der den Hohlkörper durchdringenden Strahlung darstellen,

e) Modifizieren der Detektorausgangssignale in Abhängigkeit von den DämpfungsSignalen zur Kompensation der Strahlungsabschwäehung beim Durchdringen des Hohlkörpers, und

f) Erzeugen einer Darstellung der Strömung innerhalb des Hohlkörpers aufgrund der modifizierten Detektorausgangssignale.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Jarstellung der Strömung dadurch erfolgt, daß aufgrund ier modifizierton Detektoraus-

gangssignale eine Mehrzahl von wahlweise auf einem Anzeigebildschirm wiedergebbaren Tomogrammen erzeugt wird.
3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von auf einem Anzeigebildschirm darstellbaren Bildern der Strömung in beliebigen ^clinittebene-n die Tomogramme unter Verwendung eines bildrekonstruktionsalgorithmus rekonstruiert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3₉ dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der Darstellung der Strömung auch eine-sichtbare Darstellung der Hohlkörper-

l-j> struktur, die aus der erzeugten Darstellung der räumlichen Struktur des Hohlkörpers gewonnen wird, auf dem Anzeigebildschirm dargestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurcti j';i;kGrinzeichnet, daß die Erzeugung einer Darstellung der räumlichen struktur des Hohlkörpers das Aufzeichnen der i'Orm dieser struktur auf eine Bitmatrix und das Einspeichern der Informationen aus dieser Bitmatrix in einen Computerspeicher umfaßt.
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6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5₃ dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorausgangssignale vor deren Modifikation und vor der Erzeugung der Dar-

• stellung der Strömung in einem Speicher gespeichert ■jO werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurcn i^'.:Kexu)zeichnet, daß das Einbringen des Markierungsisotops in das Jtröungsmittel pulsierend erfolgt und

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daß die Detektorausgangssignale synchron mit der pulsierenden Einleitung des Markierungsisotops torgesteuert werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bi-s 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Markierungsisotop in-eimern mit dem Strömungsmittel verträglichen Trägermedium in das Strömungsmittel eingeleitet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprücne- 1 dIs o, dadurch gekennzeichnet, daß als Markierungsisotop ειπ Positronen emittierendes Isotop verwendet wire und daß als Detektoreinrichtung Positronenkameras mit /;3hrfacndraht-Proportionalzählern zur Erfassung des jeweils koinzidenten Auftretens zweier entgegengesetzt gerichteter Photonen verwendet werden, in Vielehe die Positronen jeweils beim Zusammentreffen liiit einem I¹JIoK tr on unter Paarvernichtung zerstrahlcn, wobei diu Dutcüctorausgangosignale Anzahl und Richtung der Photonen darstellen.

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10. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 b.is 9 zur Untersuchung einer Flüssigkeitsströmung in 'einem Gasturbinentriebwerk.

2ti
11. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch

a) eine ein mit dem Strömungsmittel verträgliches radioaktives Markierungsisotop liefernde Isotopcnquclle,

b) Mittel zum Einleiten des radioaktiven i-iarKierungiisotops in das Strömungsmittel,

c) eine außernalc des Hohlkörpers anzuordnende Detektoreinrichtung zum Erfassen der von dem Isotop emittierten Strahlung und zur Urzeugung von Ausgangs-

Signalen, die Stärke und Richtung der empfangenen Strahlung darstellen,

' d) Mittel zur Urzeugung einer Darstellung der räum- o liehen Struktur des Hohlkörpers und dessen Werkstoffe,

e) Mittel zur Erzeugung von DämpfungsSignalen, welche die Dämpfung der durch die Hohlkörperwand hindurchdringenden Strahlung darstellen,

f) Mittel zur Modifizierung der Ausgangssignale der l'.k· to kl υ ro ί iiri oh tun κ in Abhängigkeit von den üämpfungasii;uaien zur Erzeugung dämpfungakompensierter Ausgangssignale, und

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g) Mittel zur Erzeugung einer Darstellung der Strö-. mung innerhalb des Hohlkörpers aufgrund der dämpfungskompensierten Ausgangssignale.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn-. zeichnet, daß die Isotopenquelle ein Isotopengenerator ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch -j gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung i^Jositronen-Kameras mit Mehrfachdraht-Proportionalzählern aufweist.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung einer Darstellung der räumlichen Struktur des Hohlkörpers • und dessen Werkstoffe, die Mittel zur Erzeugung der Dämpfungssignale, die Mittel zur Modifizierung der Ausgangssignale der Detektoreinrichtung und die Mittel zur Erzeugung der StrÖmungsdarsteilung durch einen oder mehrere entsprechend programmierbare Computer Gebildet sind. .