DE3824688A1 - Verfahren zur radiographischen abbildung mechanischer strukturen - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur radiographischen
Abbildung mechanischer Strukturen mit Hilfe von Radioiso
topen. Dabei handelt es sich um ein radiographisches Ab
bildungsverfahren, das als Positronenemissionstomographie
bekannt ist.
Positronen werden von manchen Radioisotopen als charakte
ristischen Teil ihres natürlichen Zerfallsprozesses emittiert.
Wenn ein Positron innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne,
nachdem es von einem zerfallenden Kern emittiert worden ist,
mit einem Elektron zusammentrifft, löschen sich die beiden
Teilchen gegenseitig aus, wobei zwei Photonen mit charakter
istischen Energiepegeln von 511 keV freigesetzt werden. Die
beiden Photonen werden in entgegengesetzten Richtungen
emittiert und können auf gegenüberliegenden Seiten des unter
suchten Objekts erfaßt werden.
Der Photonenenergiepegel von 511 keV ist ausreichend groß,
um wesentliche Metalldicken zu durchdringen, wie sie bei
spielsweise bei einem Gasturbinentriebwerk gegeben sind.
Während einer bestimmten Bestrahlungsdauer wird allmählich
ein Bild aufgebaut, das Verteilung und Dichte der Posi
tronenquellen darstellt. Die grundsätzliche Technik ist
bereits beschrieben worden, beispielsweise in der GB-Patent
anmeldung 21 59 380A "Analyse von Flüssigkeitsströmungen
in Hohlkörpern", wobei eine Flüssigkeitsströmung, beispiels
weise eine Schmierölströmung, mit einem Radioisotop-Mar
kierungsstoff geimpft wird. Die Metallteile der zu unter
suchenden Struktur sind praktisch unsichtbar, obwohl eine
gewisse Dämpfung der Strahlung dort auftritt, wo größere
Metalldicken zwischen Strahlungsquelle und Detektor vor
handen sind. Es sind deshalb Computermodelle entwickelt
worden, um Korrekturfaktoren zur Kompensation der auftre
tenden unterschiedlichen Dämpfungsgrade zu erzeugen.
In diesen Positronenemissionstomographie-Bildern sind Metall
teile unsichtbar und nur die geimpfte Flüssigkeit erscheint
in der Bildinformation des Erfassungssystems, wodurch Vor
handensein und Dichte der Flüssigkeit in Erscheinung treten.
Zur Unterstützung der Interpretation dieser Bilder wird
eine Linienzeichnung oder eine ähnliche Abbildung der
Maschine dem Bild überlagert.
Die vorliegende Erfindung bezweckt eine Verbesserung der
oben erwähnten bekannten Techniken dahingehend, daß auch
Bilder von Bauteilen einer Maschine oder eines Triebwerks,
beispielsweise Zahnradzähne zur Untersuchung von Verschleiß
und Eingriff erzeugt werden können, und daß Rahmen- bzw.
Umrißbilder erzeugt werden können, anhand derer mit Radio
isotopen markierte Flüssigkeitsströme untersucht werden
können.
Demgemäß ist das erfindungsgemäße Verfahren zur radiogra
phischen Abbildung einer mechanischen Struktur mit Hilfe
von Radioisotopen dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens
einem Teil der Struktur in einen interessierenden Bereich
eine ein Radioisotopen-Material enthaltende Oberflächen
schicht aufgebracht wird.
Wie oben schon erwähnt, sind bei bekannten Anwendungen der
Positronenemissionstomographie zur Abbildung geimpfter
Flüssigkeitsströme in Metallstrukturen die Metallteile im
wesentlichen unsichtbar, und obwohl ihr Vorhandensein und
ihre Form in manchen Fällen aus der Form der Strömungsbilder
geschlossen werden können, ist eine direkte Beobachtung
bisher nicht möglich. Um diese Komponenten unter Testlauf
bedingungen direkt beobachten zu können, wird der interes
sierende Bereich, beispielsweise Zahnradzähne, mit einem
Oberflächenüberzug versehen. Die so überzogenen Komponenten
bzw. Teile hiervon erzeugen dann Positronenemissionen, auf
welche die Positronendetektoren ansprechen und direkt Bilder
der Komponenten selbst erzeugen.
Die erhaltenen Bilder können verwendet werden, um Verschleiß
oder Eingriff bei Zahnrädern oder anderen Komponenten zu
beobachten, oder um Rahmenbilder zu gewinnen, anhand derer
mit Radioisotopen markierte Strömungen analysiert und unter
sucht werden können. Unter Verwendung geeigneter Bildan
passungstechniken können genau maßstäbliche Zeichnungen der
Maschine bzw. Triebwerks auf die Komponentenbilder aufgelegt
werden, um die Komponenten und die Flüssigkeitsströme zu
studieren.
Die Radioisotopen-Markierung der Komponenten kann durch Auf
bringen eines Lackes oder einer Farbe oder ähnlicher Überzüge
auf den interessierenden Bereich der Komponenten vorgenommen
werden, wobei der Lack bzw. die Farbe bzw. der sonstige Über
zug das Radioisotop in flüssiger oder Teilchenform enthält.
Alternativ dazu, falls ein mit der Komponentenoberfläche inte
graler Oberflächenüberzug gewünscht wird, kann die Markierung
durch Beschuß mit geeigneten energiereichen Ionen aus einem
Teilchenbeschleuniger erfolgen, um in einer Oberflächen
schicht der Komponente eine geeignete Kernreaktion hervorzu
rufen.
Bei einem anderen Oberflächenbeschichtungsverfahren können
die aktiven Isotope durch Aufdampfen, Aufgalvanisieren oder
ähnlicher Aufbringverfahren in eine Oberflächenschicht einge
bettet werden. Eine aktive Schicht kann auch durch einen
aufgalvanisierten oder aufgedampften Überzug oder dgl. abge
deckt werden, um eine empfindliche aktive Schicht gegen
Abrieb, Auflösung oder sonstige zerstörende Einflüsse zu
schützen oder auch um eine Verzögerungsschicht zum Abbremsen
oder Stoppen von Positronen herzustellen, um so die freie
Weglänge vor der Auslöschung und Photonenemission zu ver
ringern.
Eine bevorzugte Auswahl geeigneter Positronen emittierender
Isotope zur Verwendung in einer aufzubringenden Oberflächen
schicht in Form eines Lackes oder dgl. sind beispielsweise
in der nachstehenden Tafel 1 zusammen mit der Halbwertszeit
des betreffenden Isotops angegeben:
| Tafel 1 | |
| Isotop | |
| Halbwertszeit | |
| 82 Rb|1,3 min | |
| 11 C | 20 min |
| 68 Ga | 68 min |
| 18 F | 110 min |
| 124 I | 4,2 Tage |
| 22 Na | 2,6 Jahre |
| 45 Ti | 3,1 h |
| 58 Co | 71 Tage |
| 65 Zn | 245 Tage |
Von den oben beispielsweise aufgelisteten Isotopen kann
Rubidium-82 in reichlichen Mengen hergestellt werden, obwohl
es nur eine verhältnismäßig kurze Halbwertszeit hat. Kohlen
stoff-11 hat eine nützliche längere Halbwertszeit, die aber
immer noch ausreichend kurz ist, um eine schnelle Handhabung
der Komponenten zu gestatten, was manchmal von Vorteil sein
kann. In der Praxis sind die Isotope von Fluor, Jod, Natrium,
Titan, Kobalt und Zink durch Ablagerungs- bzw. Abscheidungs
verfahren in die Oberfläche eines Objekts eingebettet. Die
Isotope oder ihre Ausgangssubstanz zur Herstellung eines
gewählten Isotops (siehe untenstehende Tafel 2) kann durch
Ablagerung entweder in oder auf der Oberfläche einer Kompo
nente bereitgestellt werden, beispielsweise durch Aufdampfen
oder Aufgalvanisieren.
Geeignete Reaktionen zur Herstellung von mit der Komponenten
oberfläche integralen, Positronen emittierenden Oberflächen
schichten sind in Tafel 2 angegeben. Die Halbwertszeit des
sich ergebenden Isotops ist wiederum jeweils angegeben.
| Tafel 2 | |
| Reaktion | |
| Produkt-Halbwertszeit | |
| 11 B (p, n) 11 C|20,3 min. | |
| 16 O (3 He, p) 18 F | 110 min. |
| 65 Cu (p, n) 65 Zn | 245 Tage |
| 56 Fe (p, n) 56 Co | 77 Tage |
| 52 Cr (p, n) 52 Mn | 2,7 Tage |
| 59 Co (p, 3n) 57 Ni | 33 h |
| 24 Mg (d, α) 22 Na | 2,6 Jahre |
Die Ausgangsisotope für die in Tafel 2 aufgelisteten Reak
tionen findet man im allgemeinen in technischen Metallen und
Legierungen, obwohl natürlich das Vorhandensein und der
Anteil einer bestimmten Substanz von der Zusammensetzung
der jeweiligen Legierung abhängt. Die aufgezeigten Reaktionen
können durch Beschuß eines Objekts, welches das gewählte
Ausgangsisotop enthält, durch die in Klammern erstgenannten
Teilchen mittels eines Teilchenbeschleunigers erzeugt werden.
Der genaue Teilchenenergiepegel, der zur Erzeugung der ange
gebenen Reaktion erforderlich ist, ist von Fall zu Fall
verschieden, ergibt sich aber für den Fachmann aus der
einschlägigen Literatur. Im allgemeinen sind Energiepegel
im Bereich von 10 MeV bis 20 MeV zweckmäßig, jedoch soll
diese Angabe nur als Leitfaden dienen, und der genaue
erforderliche Energiepegel muß empirisch bestimmt werden.
Da normalerweise der Ausgangsenergiepegel eines Beschleuni
gers nicht verändert werden kann, muß eben der günstigte
verfügbare Energiepegel ausgewählt werden.
Die in den Tafeln 1 und 2 angegebenen Beispiele sind nicht
erschöpfend. Über die in Tafel 1 angegebenen Isotope hinaus
können sich auch noch weitere Isotope als geeignet erweisen,
und zusätzlich zu den in Tafel 2 angegebenen Reaktionen
können auch weitere mit Positronenemissionstomographie-
Techniken in maschinenbaulichen Anwendungen zum Zweck der
direkten Abbildung von Komponenten und Strukturen als
brauchbar erweisen.
Claims (10)
1. Verfahren zur radiographischen Abbildung einer mechani
schen Struktur mit Hilfe von Radioisotopen, dadurch gekenn
zeichnet, daß auf mindestens einem Teil der Struktur in
dem interessierenden Bereich eine ein Radioisotopenmaterial
enthaltende Oberflächenschicht aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberflächenschicht als Film oder Lack oder dgl. aufge
bracht wird, der das Radioisotopenmaterial enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Radioisotopenmaterial in flüssiger Form aufgebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Radioisotopenmaterial in Teilchenform aufgebracht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Radioisotopenmaterial aus der
Gruppe 68 Ga, 18 F, 124 1, 22 Na, 45 Ti, 58Co und 65 Zn
gewählt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberflächenschicht aus Radioisotopenmaterial durch
Beschuß der damit zu versehenden Struktur mit energie
reichen Ionen gebildet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das Radioisotopenmaterial durch eine Reaktion der folgenden
Gruppe von Reaktionen erzeugt wird: 65 Cu (p, n) 65 Zn,
56 Fe (p, n) 56 Co, 52 Cr (p, n) 52 Mn, 59 Co (p, 3 n) 57 Ni
und 24 Mg (d, α) 22 Na.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht durch einen
Ablagerungsprozeß erzeugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ablagerung galvanisch erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ablagerung durch Aufdampfen erfolgt.
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