Tomographie mit Neutronen

Tomographie bezeichnet eine Rechenmethode, die Schnittbilder eines Objektes aus den Transmissionsmessdaten, die durch Bestrahlung des Objektes aus vielen Winkelrichtungen gewonnen wurden, berechnen kann. In mathematischer Sprache ist Tomographie das Verfahren, mit dem ein Bild (d.h. eine 2D Matrix) aus seinen Projektionen zurückgerechnet wird. Die Projektion in einer Winkelrichtung bezeichnet dabei das Integral des Bildes (bzw. die Summe der Matrixelemente) in dieser Richtung.

Die zerstörungsfreie Analyse eines Objekts mittels Neutronenradiographie erfolgt meist mit einer oder mehreren Transmissionsprojektionen. Manchmal jedoch interessieren die Abschwächungseigenschaften des ganzen Objektes betrachtet aus einem beliebigen Blickwinkel. Diese Information wird durch eine tomographische Darstellung des Objektes sichtbar gemacht. Dazu wird das Objekt bei einer Parallelstrahlprojektion in kleinen Winkelschritten über einen Bereich von 180 Grad gedreht und aus den Projektionsbildern wird mittels inverser Radon Transformation die Verteilung der Abschwächungseigenschaften in einzelnen Schnittebenen des Objektes zurückgerechnet. Die hohe Parallelität der thermischen Neutronenradiographie Strahllinie NEUTRA bietet gute Voraussetzungen um 3D Volumendaten mit den Abschwächungseigenschaften des Objektes aus den einzelnen Transmissionsradiographien zu berechnen.

Tomographieaufbau

Die wiederholte Aufnahme von Transmissionsbildern eines in 150-300 kleinen Winkelschritten gedrehten Objektes erfolgt in einer automatisierte Prozedur, die eine stickstoffgekühlte Kamera, den Drehtisch und eine Strahlüberwachung umfasst. Die stickstoffgekühlte CCD Kamera (Astromed 3200 by PerkinElmer Life Sciences, Cambridge U.K.) macht ein Bild nach dem andern gesteuert von einem externen Triggersignal. Je nach Grösse des untersuchten Objektes (Grösste Abmessung / Gewicht ca 20kg / 25cm), und dem eingesetzten Objektiv werden 512x512 Pixel grosse 16bit Bilder mit einer Auflösung von 0.2 - 0.5 mm abgespeichert.

Vergleichsweise lange Blendenöffnungszeiten von 5 - 60 Sekunden sind durch die Intensität des Neutronenflusses und die Abschwächungseigenschaften des Objektes bedingt. Diese wiederum sind abhängig von seiner Ausdehnung in Strahlrichtung sowie der Dichte der darin enthaltenen Isotope. Objekte, die hauptsächlich aus stark neutronenabsorbierenden Materialien (z. B. Bor, Gadolinium, Cadmium, … ), oder stark neutronenstreuenden Isotopen (z.b. Wasserstoff) bestehen, oder deren Abmessungen durch ein grosses Verhältnis Länge / Breite gekennzeichnet sind, sind für die Neutronentomographie nicht geeignet.

Der Präzisionsdrehtisch (Franke, Aalen, Deutschland, Typ 12062) wird durch einen Zweiphasenschrittmotor mit eigener Steuerung angetrieben und verfügt über eine zusätzliche Winkelmesseinheit. Dies erlaubt eine ruckfreie und reproduzierbare Winkelpositionierung. Das Untersuchungsobjekt wird auf einem Teller am Ende eines Aluminiumzylinders auf dem Drehtisch fixiert, um eine direkte Neutronenbestrahlung des Drehmotors zu vermeiden. Der Drehtisch steht auf einem Zweiachsenkipptisch, der wiederum auf einem x-y Positioniertisch befestigt ist. Damit kann die Drehachse exakt in vertikaler Richtung mit der Symmetrieachse des CCD Kamerabildes in Übereinstimmung gebracht werden. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für die unverfälschte Rekonstruktion der Schnittebenen durch das Objekt.

Datenaufnahme

Die Intensität des Neutronenstrahls ist abhängig von den Schwankungen im Protonenstrahl, der die Spallationsreaktion im SINQ-Target erzeugt. Damit nur Bilder mit genügender Neutronenexposition aufgenommen werden, wird diese auf indirekte Art durch die Messung des Gammastrahlungshintergrundes im Messbunker überwacht. Vor Auslösung einer CCD Kameraaufnahme, aber auch während einer Aufnahme, wird die Intensität bzw die Neutronenfluenz gemessen und durch den Vergleich mit einem Schwellwert entschieden ob eine Aufnahme gemacht werden kann oder wiederholt werden muss.

Ein LabView Programm auf einem PC wird verwendet um die Rotationssequenz zu definieren. Es schickt die Steuersequenzen zur Drehmotorsteuerung, verarbeitet das Signal des Strahlungsmonitors und sendet das externe Triggersignal zur Kamerasteuerung.

Bildverarbeitung und Rekonstruktion

Bevor die Projektionsbilder zu Schnittbildern rekonstruiert werden können, müssen sie nachbearbeitet werden. Da die einzelnen Projektionsbilder unterschiedliche Neutronenexposition aufweisen, werden sie zunächst auf gleiche Exposition normiert. Die räumliche Variation in der Ausleuchtung eines Bildes, hervorgerufen durch einen ungleichmässigen Neutronenstrahl oder Leuchtschirm, wird korrigiert (Hellfeldkorrektur). Dies wird durch eine Division mit einem Hellfeldbild (= leeres Bild ohne Objekt) erreicht. Der CCD Chip der Kamera ist empfindlich auf Gammastrahlung, die sich als kleine weisse Flecken manifestiert, die im Bild statistisch verteilt sind. Diese werden durch einen geeignete mathematischen Filter (z.B Medianfilter) aus den Hellfeldbildern und den Projektionsbildern eliminiert. Manchmal müssen die Bilder nochmals zentriert werden, damit die vertikale Bildachse und die Rotationsachse auch wirklich übereinstimmen. Schliesslich werden alle Quotientenbilder (Objektbild / Hellfeld) in einem sogenannten Sinogrammdatensatz zusammengefasst (Grösse nx X ny Pixel X Anzahl Winkel).

Einzelne transversale Schnittebenen (d.h. Ebenen senkrecht zur Rotationsachse) können nun mit dem Verfahren der "Gefilterten Rückprojektion", das die inverse Radon Transformation approximiert, zurückgerechnet werden (siehe z.B. "Prinzipien der Computertomographie"). Zum Schluss können alle Schnittbilder in einer Volumendatei zusammengefasst werden, die die Abschwächungseigenschaften des ganzen Untersuchungsobjektes enthält. Diese kann mit einem geeigneten Computerprogramm ( z.B. http://www.volumegraphics.com ). visualisiert und manipuliert z.B. in Objekte unterschiedlicher Neutronenabsorption aufgeteilt (segmentiert) oder in beliebigen schiefen Schnitten dargestellt werden.