WERKSTOFFANALYTIK Das Unsichtbare sichtbar machen

Automatische Überwachung des Produktionsprozesses und die Qualitätskontrolle der Zwischen- und Endprodukte ist unerlässlich, um Produkte auf den Markt zu bringen. Dies gilt vor allem dort, wo vollautomatische Abläufe ohne Einsatz von Menschen in kurzen Zeiten zu großen Stückzahlen führen sollen. Die digitale Röntgentechnik hilft hier, Prozesse schnell und zuverlässig zu überwachen.

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Automatische Überwachung des Produktionsprozesses und die Qualitätskontrolleder Zwischen- und Endprodukte ist unerlässlich, um Produkte auf den Markt zu bringen. Dies gilt vor allem dort, wo vollautomatische Abläufe ohne Einsatz von Menschen in kurzen Zeiten zu großen Stückzahlen führen sollen. Die digitale Röntgentechnik hilft hier, Prozesse schnell und zuverlässig zu überwachen.

Hochauflösende optische Kameras werden bereits vielfältig eingesetzt, um Fertigungsteile auf Vollständigkeit, Beschädigungen oder Farbtreue zu kontrollieren. Überall dort, wo die zu untersuchenden Teile optisch nicht erfasst werden können, liegt das Einsatzgebiet für die digitale Röntgentechnik, sei es, weil die zu untersuchenden Teile für sichtbare Strahlung undurchlässig sind oder Spiegelungen der Oberfläche eine korrekte Erfassung nicht zulassen. Auch in biologischen und medizinischen Labors ersetzen digitale Röntgensysteme mehr und mehr Röntgenfilme und Speicherfolien. Im Wesentlichen besteht die Durchleuchtungseinheit aus drei Komponenten: dem Röntgenstrahler, dem Röntgendetektor bzw. der Kamera und einer Abschirmung.

Es gibt am Markt eine Vielzahl von Herstellern mit einer breiten Palette von Röntgenstrahlern für nahezu jede Einsatzmöglichkeit, die sich hauptsächlich durch die maximal mögliche Hochspannung (und damit maximale Röntgenenergie), die Leistung und die Größe des Brennflecks (Ausdehnung des Bereichs der Röhre von dem die Strahlung emittiert wird) unterscheiden. Der Detektor ist meist ein Zeilen- oder Flächendetektor. Wichtig für eine sichere Aufnahme ist die Abschirmung. Die vom Röntgenstrahler ausgehende oder vom Messobjekt gestreute Strahlung muss durch Blei oder andere Materialien mit hoher Dichte abgeschirmt werden, um die zulässigen Grenzwerte für die Umgebung um die Messeinheit einzuhalten.

Prinzip einer Röntgenkamera

Die Röntgenstrahlung hat - je nach Energie - ein mehr oder weniger großes Durchdringungsvermögen. Damit ein Röntgenphoton gemessen werden kann, muss es zunächst in Wechselwirkung mit dem Detektormaterial treten, indem es seine Energie ganz (Photoeffekt) oder teilweise (Comptonstreuung) an ein Elektron abgibt. Dieses Elektron bewegt sich nun mit hoher Geschwindigkeit durch das Szintillatormaterial und erzeugt dabei Licht in einem Wellenlängenbereich, der mit den Photodioden im Detektor messbar ist. Die Menge des erzeugten Lichts ist proportional zur Energie des Elektrons und damit zum absorbierten Röntgenphoton. Das Licht wird von rauscharmen Photodioden absorbiert und in elektrische Ladung umgewandelt, welche dann durch die Ausleseelektronik erfasst und digitalisiert werden kann.

Amorphes Silizium, CCD oder CMOS?

Jedes der am Markt verfügbaren Detektor-Systeme hat seine bautechnischen Vor- und Nachteile.

Amorphes-Silizium-Detektoren bestehen aus einer Photodiodenmatrix mit Dünnschicht-Transistor-Auslese. Es können große Flächendetektoren gefertigt werden (bis zu 40 cm) und die Strahlungstoleranz ist relativ hoch. Das Auflösungsvermögen (Pixelgröße typischerweise 100µm) und der erreichbare Kontrast sind - bedingt durch relativ hohes Rauschen - allerdings begrenzt.

CCD-Bildgeber (Charge-coupled-device) verbinden hohe Auflösung mit niedrigem Rauschen und hoher Lichtempfindlichkeit. Sie sind jedoch sehr strahlungsempfindlich. Da die Fläche der Sensoren meist zu klein ist, wird das Licht, das im Szintillator erzeugt wird, über Linsen oder Glasfaser-Taper (sich verjüngendes Bündel von Glasfasern) auf das CCD-Array gekoppelt. Der Einsatz ist meist nur bei sehr niedrigen Röntgenenergien sinnvoll.

CMOS-Detektoren, wie die hier verwendeten Sensoren von Rad-icon, sind wie Amorphes-Silizium-Detektoren matrixadressierte Photodioden-Arrays. Niedriges Rauschen und eine Sättigungskapazität, welche ein Vielfaches von CCDs beträgt, sowie die Möglichkeit, die erforderliche Ausleseelektronik auf dem Chip zu integrieren, verbunden mit einem hohen Auflösungsvermögen, ermöglichen eine hohe Bildqualität mit sehr gutem Kontrast. Im Folgenden befasst sich der Beitrag hauptsächlich mit diesen Detektoren. CMOS-Matrixelemente können in Flächen oder in einer Zeile angeordnet sein. Funktion und Wirkungsweise sind im Prinzip identisch.

Lineare- oder Zeilendetektoren sind dann sinnvoll eingesetzt, wenn das Untersuchungsgut während der Bewegung auf dem Band mit hoher Geschwindigkeit gemessen werden soll. Bei 1 mm Pixelgröße können Geschwindigkeiten bis zu 1 m pro Sekunde erreicht werden. Je höher die Auflösung sein soll, desto langsamer muss gemessen werden. Zudem bestehen hohe Anforderungen an die Konstanz der Bandgeschwindigkeit. Große Geschwindigkeiten erfordern eine hohe Leistung des Röntgenstrahlers, da ja in der zur Verfügung stehenden Zeit pro Pixel eine ausreichende Menge an Strahlung auf das Flächenelement treffen muss, um die Bildqualität nicht durch statistische Effekte zu zerstören.

Die erreichbare Auflösung wird zudem limitiert durch Bewegungsartefakte (das Messgut bewegt sich während der Auslese) und der Tatsache, dass mit zunehmender Leistung der Röntgenröhre auch der Brennfleck größer werden muss, da sonst eine zu große lokale Temperatur erreicht wird, die die Röhre zerstören würde. Flächendetektoren machen es erforderlich, dass das Messobjekt für die Zeit der Aufnahme nicht bewegt wird. Dies wird meist vereinfacht durch die Tatsache, dass der Aufwand für die benötigte Röntgenabschirmung minimiert werden kann, wenn das Objekt vom Band genommen und in die Röntgeneinheit transportiert wird. Dadurch ist natürlich der maximale Durchsatz an Teilen pro Sekunde durch die Belichtungs- und Auslesezeit begrenzt, ermöglicht aber im Gegenzug eine maximale Auflösung (besser 10 Linienpaare pro mm). Zudem liegt die erforderliche Röhrenleistung wesentlich niedriger.

Ein Rechenbeispiel verdeutlicht diesen Zusammenhang. Ergibt ein Aufnahme mit einer Matrix von 2000 x 2000 Elementen bei einer Belichtungszeit von 0,5 Sekunden ein optimales Bild, so müsste für einen Zeilendetektor mit 2000 Elementen jede Zeile mit der 2000-fachen Intensität bestrahlt werden, um in der gleichen Zeit für jedes Flächenelement die gleiche Information zu liefern.

Optimierung des Systems

Die richtige Wahl des Durchleuchtungssystems hängt im Wesentlichen von folgenden Faktoren ab: Größe der Objekte, Stückzahl pro Sekunde, Element-Zusammensetzung und Dichte der zu erkennenden Einzelteile sowie der relativen Schwächung der zu trennenden Komponenten. Die erste Frage bei der Auswahl hängt natürlich mit der Größe, der zu untersuchenden Probe, zusammen.

Objekte größer als 1 mm mit einer hohen Schwächung der Röntgenstrahlung (z.B. Metalle wie Stahl oder Messing) in einer Umgebung mit niedriger Schwächung wie z.B. Kunststoffe, Holz oder Nahrungsmitteln stellen keine hohen Anforderungen. Handelt es sich um kleine Fremdkörper, Fehlstellen oder Details, ist das Auflösungsvermögen des Systems und der Röntgenkontrast zum umgebenden Material sowie dessen Gesamtdicke ausschlaggebend, ob eine Erkennbarkeit möglich ist.

Soll ein sehr kleines Objekt erkannt werden (z.B. Metallspäne in Arznei-/Nahrungsmitteln oder Lunker/Luftblasen bzw. Risse in Metall), kann dies nur zuverlässig erfolgen, wenn ein kleiner Brennfleck und eine kleine Pixelfläche verwendet werden. Sind entweder Brennfleck oder Pixelfläche wesentlich größer als das Objekt, so wird der Strahl nur dann zu einem ausreichenden Prozentsatz abgeschwächt, wenn das Objekt nahe am jeweils kleineren liegt. Dies schränkt natürlich die Größe des zu untersuchenden Objekts stark ein. Details, welche wesentlich kleiner als der effektive Strahlquerschnitt (direkte Verbindung zwischen allen Punkten auf dem Brennfleck und allen Punkten am Detektorelement) sind, können dann erkannt werden, wenn die durch das Objekt erzeugte Strahlabschwächung addiert zu der Gesamtschwächung der Umgebung sich statistisch signifikant abhebt. Hierbei müssen außer der Anzahl der Röntgenphotonen, die noch am Detektor ankommen auch der Dynamikbereich (bei CMOS-Sensoren mehr als 80dB) und das Detektor-Rauschen berücksichtigt werden.

Auflösung kontra Sensitivität

Die Dicke der Szintillatorschicht, z.B: Gd2O2S:Tb (Gadolinium Oxysulfid mit Terbium dotiert) oder CsI (Cäsiumjodid) hat sowohl einen Einfluss auf die Auflösung als auch auf die Sensitivität (siehe InfoClick-Kasten). Eine dicke Schicht ergibt vor allem bei höheren Röntgenenergien eine Steigerung der Effizienz, d.h. die benötigte Röntgenleistung muss nicht so hoch sein. Da aber das erzeugte Licht über einen größeren Bereich gestreut wird, reduziert sich die Auflösung. Strukturierte Szintillatoren, wie in Nadeln aufwachsendes CsI, leitendas Licht wie kleine Lichtleiter direkt zur Sensorfläche. Der Vorteil geht aber bei schräg einfallenden Röntgenstrahlen teilweise verloren, da die Konversion in Licht dann in verschiedenen benachbarten Nadeln stattfindet. Ebenso verhält es sich bei hohen Röntgenenergien, denn die Comptongestreuten Elektronen bzw. Röntgenstrahlen durchdringen mehrere Kristallnadeln.

Zusammenfassung

Die digitale Rötgentechnik hat sich schon in einer Vielzahl von Applikationen (s. Kasten) und in sehr unterschiedlichen Industrien durchgesetzt. Durch ihren einfachen Aufbau und die hohe Informationstiefe werden sich Systeme wie die von Rad-icon in den nächsten Jahren weitere Anwendungsgebiete erschließen.

Hintergrung: Digitale Röntgentechnik

Technologie ist vielseitig einsetzbar

Es existieren breite Anwendungsfelder für die digitale Röntgentechnik:- Fertigungskontrolle und Materialprüfung: Untersuchung von Elektronikbauteilen und Platinen (Abb. 1, 2); Kontrolle von Schweißstellen von vergossenen Kontakten (Abb. 3); Fremdkörper in Nahrungs- oder Arzneimitteln (Abb. 4).

- Medizin und Biologie: Knochenuntersuchungen, Dentalbereich und CT (Abb.5).- Sicherheitstechnik: Mobile Röntgeneinrichtungzur Untersuchung von Gepäck und Elektronik.

*Dr. rer. nat. R. Schmid-Fabian, RSF Systems,75334 Straubenhardt

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