Welche Materialtypen werden für radiografische Verstärkerschirme verwendet?
Welche Materialtypen werden für radiografische Verstärkerschirme verwendet?
Das Röntgenbild wird von nur etwa 1 % der Strahlungsenergie erzeugt, mit dem der Film belichtet wird. Der Rest der Energie durchquert den Film und kann daher nicht genutzt werden. Um die verfügbare Strahlungsenergie besser zu nutzen, kann ein Film zwischen zwei Verstärkerschirmen positioniert werden. Für diesen Zweck kommen verschiedene Materialtypen zum Einsatz.
Treffen Röntgen- und Gammastrahlen auf, geben Bleischirme Elektronen ab, für die der Film empfindlich ist. In der industriellen Radiographie wird dieser Effekt genutzt: Wird der Film zwischen zwei Bleischichten positioniert, lässt sich eine verstärkende Wirkung und Intensitätssteigerung um etwa den Faktor 4 erzielen. Diese Verstärkungsmethode kommt im Energiebereich von 80 keV bis 420 keV zum Einsatz und gilt ebenfalls für Röntgen- oder Gammastrahlung, wie sie beispielsweise von Iridium-192 erzeugt wird.
Verstärkerschirme bestehen aus zwei homogenen Bleifolien-Blättern (auf einem dünnen Trägermaterial wie Papier oder Pappe), zwischen denen der Film platziert wird. Dies sind vorderen und hinteren Schirme.
Die Dicke des vorderen Schirms (auf Quellenseite) muss der Härte der verwendeten Strahlung entsprechen, sodass die Primärstrahlung passieren kann, jedoch ein möglichst großer Anteil der Sekundärstrahlung (die über eine längere Wellenlänge verfügt und daher eine geringere Penetration aufweist) zurückgehalten wird.
Die Bleifolie des vorderen Schirms ist meist 0,02 bis 0,15 mm dick. Der vordere Schirm fungiert nicht nur als Verstärker für die Primärstrahlung, sondern auch als absorbierender Filter für die weichere Streustrahlung, die teilweise ein einem schrägen Winkel einfällt, siehe Abbildung 2-6. Die Dicke des hinteren Schirms ist nicht kritisch und beträgt meist etwa 0,25 mm.
Die Oberfläche der Bleischirme wird poliert, um einen möglichst engen Kontakt mit der Oberfläche des Films zu ermöglichen. Defekte wie Kratzer oder Risse an der Oberfläche des Metalls sind im Röntgenbild sichtbar und müssen daher vermieden werden. Auf dem Markt sind ebenfalls vakuumverpackte Röntgenfilmkassetten mit eingebauten Bleischirmen erhältlich, die eine perfekte Passung zwischen Emulsion und Bleifolien-Oberfläche gewährleisten.
Auf Abbildung 4a-6 und 4b-6 sind die Vorteile von Bleischirmen deutlich erkennbar.
Zusammenfassend haben Bleischirme die folgenden Wirkungen:
- Verbesserung von Kontrast und Detailtreue, da Streustrahlung reduziert wird
- Verringerung der Belichtungszeit
Mit einem automatischen Filmprozessor[1] sind Gesamt-Verarbeitungszyklen von nur wenigen Minuten möglich. So eignen sich diese Systeme hervorragend für Offshore-Anwendungen (auf Rohrverlegern), in dem Schweißprüfungen in hohem Takt vorgenommen werden müssen und die Bildqualität zweitrangig ist. In Abbildung 5-6 ist dargestellt, dass eine Zeitersparnis von 10(3,7-2,8) oder 100,9 im Endeffekt etwa Faktor 8 entspricht.[1] In der Praxis liegt die Zeitersparnis oft näher an Faktor 10.
Diese RCF-Schirme werden zudem für Onstream-Untersuchungen verwendet, bei denen lange Belichtungszeiten und größtenteils harte (Gamma-) Strahlung verwendet werden, da eine hohe Eindringleistung benötigt wird.[1] Die relativ lange Belichtungszeit (die Reziprozität verursacht) und die harte Strahlung (Cobalt-60) reduzieren in Kombination jedoch die Lichterzeugung, wie in den Tabellen 1-6 und 2-6 dargestellt.
Die relative Zeitersparnis ist insgesamt erheblich kleiner, üblicherweise nicht mehr als Faktor 2 bei einem F6-Film (mit Ir-192 und Co-60) statt Faktor 10 bei der D7-Technik mit Bleischirm. Siehe die fettgedruckten Angaben (2.5 und 1.7) in Tabelle 2-6.
Abbildung 6-6 bietet einen Überblick über Diagramme, aus denen die relativen Belichtungszeiten mit verschiedenen Filmen und Schirmen bei 200 kV (bei Filmdichte 2) abgeleitet werden können.[1] Das Diagramm zeigt, dass ein F8-Film mit RCF-Schirm (Punkt C) etwa 8 Mal schneller ist als ein D8-Film mit Blei (Punkt B) und etwa 15 Mal schneller als ein D7-Film mit Blei (Punkt A). Da bei Onstream-Untersuchungen, der Untersuchung von Beton und Flash-Radiographie[1] Kompromisse bei der Bildqualität zulässig sind, wurde ein spezieller fluormetallischer Schirm (NDT1200) mit extrem hoher Lichtemission entwickelt. In Kombination mit einem F8-Film kann dieser bei 200 kV zu einer Verringerung der Belichtungszeit um den Faktor 100 führen, im Vergleich zu einem D7-Film mit Blei (Punkt D gegenüber Punkt A in Abbildung 6-6) oder sogar einem Faktor von 140 bis 165, je nach Quellenauswahl, siehe Tabelle 2-6. Der Verstärkungsfaktor der NDT1200-Schirme steigt bei niedrigeren Temperaturen erheblich.
In Tabelle 2-6 sind die Auswirkungen der Strahlungshärte auf die relativen Belichtungszeiten bei diversen Film-Schirm-Kombinationen im Vergleich zu D7-Film mit Bleischirm dargestellt. Bemerkenswert ist, dass bei dem NDT1200-Schirm und F-8-Film der Faktor mit steigender Energie anwächst, bei dem F8-Film jedoch bei Energien über 300 keV sinkt.
Die obigen Tabellen und Diagramme stellen klar dar, dass es viele Möglichkeiten gibt, die benötigten Belichtungszeiten oder Strahlungsdosen zu reduzieren.[1] Die erforderliche Bildqualität ist ein entscheidender Faktor (eine höhere Belichtungsrate führt zwangsläufig zu niedrigerer Bildqualität), und auch wirtschaftliche Aspekte wie z. B. die Kosten der Schirme gegenüber der Zeitersparnis, müssen berücksichtigt werden.[1]
Bei hochenergetischer Strahlung ist Blei nicht das beste Material für Verstärkerschirme. Bei Kobalt-60-Gammastrahlen resultieren Kupfer oder Stahl in hochwertigeren Röntgenbildern als Bleischirme. Bei Megavolt-Röntgen im Energiebereich von 5 bis 8 MeV (Linac) produzieren dicke Kupferschirme bessere Röntgenbilder als Bleischirme beliebiger Stärke.
Mit dem Begriff Fluoreszenz (oft mit Phosphoreszenz verwechselt) wird die Eigenschaft einer Substanz bezeichnet, unter Einfluss elektromagnetischer Strahlung unmittelbar Licht abzugeben. Stoppt die Strahlung, stoppt ebenfalls die Abgabe von Licht. Dieses Phänomen wird in der filmbasierten Radiographie genutzt. Bestimmte Stoffe geben so viel Licht ab, wenn sie ionisierender Strahlung ausgesetzt werden, dass sie eine erheblich stärkere Wirkung auf den lichtempfindlichen Film haben als die direkte ionisierende Strahlung selbst.
- Mit dem Begriff Phosphoreszenz wird ein ähnliches Phänomen beschrieben, bei dem das Licht nach Aussetzen der elektromagnetischen Strahlung jedoch nur langsam verblasst (Nachleuchten).
- Bei zerstörungsfreien Prüfungen wird zudem der "Speichereffekt" einiger Phosphorverbindungen genutzt; diese speichern ein latentes Röntgenbild, das später mittels Laserstimulation zu einem sichtbaren Bild entwickelt werden kann. Die Bildqualität ist hier jedoch nur mittelmäßig, da relative grobe Phosphorkristalle verwendet werden. Aktuell wird daran geforscht, Speicherphosphor mit kleineren Kristallen zu entwickeln.
Fluoreszenzschirme bestehen aus einer dünnen, flexiblen Basis, die mit einer fluoreszenten Schicht aus Mikrokristallen eines geeigneten Metallsalzes (Seltenerde, üblicherweise Calciumwolframat) beschichtet ist, das bei Exposition gegenüber Strahlung fluoresziert. Durch die Strahlung leuchtet der Schirm auf. Die Lichtintensität ist direkt proportional zur Strahlungsintensität. Mit diesen Schirmen lassen sich sehr hohe Verstärkungsfaktoren von bis zu 50 erreichen, was eine erhebliche Verkürzung der Belichtungszeit bedeutet. Die Bildqualität ist jedoch aufgrund der höheren Unschärfe oft mangelhaft. Fluoreszenzschirme werden nur in der industriellen Radiographie eingesetzt, wenn eine drastische Verkürzung der Belichtungszeit in Kombination mit einer Erkennung großer Defekte benötigt wird.
Neben fluoreszenten und Blei-Verstärkerschirmen gibt es zudem fluormetallische Schirme, die zu einem gewissen Grade die Vorteile beider Techniken kombinieren. Bei diesen Schirmen befindet sich eine Bleifolie zwischen Basis und fluoreszenter Schicht. Dieser Schirm ist auf die Nutzung in Kombination mit sogenanntem RCF-Film (Rapid Cycle Film) vom Typ Structurix F6 oder F8 ausgelegt.
Die erzielbare Verstärkung hängt größtenteils von der Spektrumempfindlichkeit des Röntgenfilms gegenüber dem von den Schirmen abgegebenen Licht ab.
Um mit fluormetallischen Schirmen zufriedenstellende Röntgenbilder zu erzeugen, sollten sie in Kombination mit einem geeigneten F-Filmtyp verwendet werden.
Bei korrekter Verwendung unter günstigen Bedingungen lässt sich die Belichtungszeit hier im Vergleich zu D7-Film und Bleischirmen um einen Faktor von 5 bis 10 verringern. Dies ist kein konstanter Faktor, die die zugeführte Energiemenge (Strahlungshärte) und die Umgebungstemperatur sich ebenfalls auf die Stärke der Fluoreszenz auswirken. Bei 200 kV lässt sich beispielsweise Faktor 10 erreichen, mit Iridium 291 (Nennwert 450 kV) jedoch nur ein Faktor von 5 gegenüber D7-Film. In Tabelle 1-6 sind die relativen Belichtungsfaktoren für die RCF-Technik dargestellt.
