Was ist Neutronenradiographie?

Neutronentransmissionsradiographie (NR) basiert darauf, dass Strahlung beim Passieren von Materie nach einem exponentiellen Gesetz geschwächt wird. Da die verschiedenen Materialien ein unterschiedliches Schwächungsverhalten beim Durchdringen von Neutronen zeigen, kann der Neutronenstrahl als Informationsträger über Zusammensetzung und Struktur interpretiert werden.

Der grundsätzliche Aufbau einer Neutronenradiographie-Anordnung ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
Die neutronenliefernde Quelle kann entweder ein Kernreaktor (wie der FRM-2, im Bau befindlich in Garching nahe München), das Target, auf das ein Protonenstrahl auftritt (wie die Spallations-Neutronenquelle SINQ) oder ein radioaktives Isotop sein (z.B. Californium).
Der Kollimator ist eine Anordnung zur Gestaltung der Strahlqualität, die sowohl die geometrischen Eigenschaften als auch das Energiespektrum und den Gammaanteil des Strahls bestimmen, indem geeignete Filter eingebaut werden. Die erreichbare Bildschärfe durch den Strahl wird durch das L/D-Verhältnis ausgedrückt, wobei L die Kollimatorlänge und D den Durchmesser der Eingangsblende auf der Quellseite beschreiben.
Der Strahl durchdringt (mehr oder weniger) das Objekt und wird durch einen ebenen, ortauflösenden Neutronendetektor erfasst, d.h. der Detektor registriert ein zweidimensionales Bild, welches die Projektion des Objektes in der Detektorebene darstellt.
Durch die Kombination von Bildern, die aus unterschiedlicher Perspektive aufgenommen werden lassen sich tomographische Rekonstruktionen erstellen.
Wenn der Detektor in der Lage ist, sehr schelle Bildfolgen aufzunehmen dann lassen sich mittels Neutronen auch dynamische Prozesse analysieren. Das ist das Gebiet der Echtzeit-Neutronenradiographie.
Sehr verschiedene Detektorsysteme sind im Einsatz in der Neutronenradiographie: Kombinationen von Film und neutronenempfindlichen Konverterfolien, Kombinationen von lichtemittierenden Szintillatoren, neutronenempfindliche Imaging Plates, Kernspurfolien und seit kurzem auch Flächendetektoren, die auf amorphen Silizium basieren. Einen Einblick in die verschiedenen Detektorsysteme und ihre Eigenschaften erhält man per Mausklick.
Prinzipiell ist die NR empfindlich für alle Materialien, die eine starke Wechselwirkung mit Neutronen eingehen. Besonders interessant sind Materialkombinationen von schwach und stark neutronenschwächenden Materialien, da grosse Kontrastunterschiede Auftreten.
Im Gegensatz zum Röntgen ist die Wechselwirkung mit leichteren Materialien (H, Li, B, C) ausgeprägt, während schwere Materialien (Pb, U, Bi) ohne Mühe durchstrahlt werden können. Somit ist die NR eine komplementäre Methode zum Röntgen, was am folgenden Beispiel einer Spiegelreflexkamera erkennbar wird:

Neutronenradiographie	Röntgenradiographie

Während Röntgenstrahlen besonders durch schwerere Metalle abgeschwächt werden, machen es die Neutronen möglich, leichtere Materialien, insbesondere wasserstoffhaltige kontrastreich abzubilden. In den obigen Abbildungen sind die Metallteile im Röntgenbild beinahe schon nicht mehr völlig transparent, während die neutronische Aufnahme die Plastikkomponenten sehr detailliert wiedergibt.

Das folgende Diagramm zeigt Beispiele von Schwächungskoeffizienten einiger ausgewählter Materialien für thermische Neutronen:

Eine Gesamtübersicht für einen Vergleich von thermischen Neutronen mit Röntgenstrahlung ist in diesem Diagramm zu ersehen:

Neben der zuvor beschriebenen Methode der direkten Transmission mit Neutronen gibt es noch einige andere Radiographieverfahren. Dies sind vor allem die Autoradiographie und Konvertertechniken, die darauf beruhen, dass die durch Neutronen induzierte Sekundärstrahlung gemessen wird. Diese Strahlung kann entweder vom Untersuchungsobjekt oder einem Primärdetektor (Konverterplatte) ausgesandt werden.