Normungsentwürfe prEN 12543 und prEN 12544 auf dem Prüfstand

Erfahrungsbericht eines zertifizierten Reparatur- und Servicebetriebes

R. Wille und K. Heidl, Römatec Service-Zentrum, 59199 Bönen

Das technische Komitee CEN/TC 138 hat detaillierte Normungsentwürfe zur Spezifizierung industrieller Röntgenanlagen ausgearbeitet, die sowohl die Vermessung und Charakterisierung von Brennflecken (prEN 12543) als auch die Messung der Röntgenröhrenspannung (prEN 12544) betreffen. Diese Normungsentwürfe sind bereits mehr als eine vorbereitende Handlungsrichtlinie. Sie sollten möglichst umgehend in einer europäischen Norm festgeschrieben werden.

1.) Einleitung
Die DIN BOO 25435-7 "Wiederkehrende Prüfungen der Komponenten des Primärkreises von Leichtwasserreaktoren" hat diese Leitfäden bereits zur Spezifizierung der einzusetzenden Strahlungsquellen in ihre Prüfvorschrift integriert.
Mit Bezug auf die einzusetzenden Strahlungsquellen heißt es in Kapitel 5.2.1:
"Röntgenanlagen, die für wiederkehrende Prüfungen im Bereich der Kerntechnik eingesetzt werden, müssen im Hinblick auf ihre Eigenschaften (Brennfleckgröße, Brennflecklage und Röntgenenergie) zertifiziert sein."
"Eine Brennfleckgröße ist definiert und wird gemessen nach EN 12543 Teil 1, 2 oder 3. Die Brennfleckgröße ist bei Auslieferung der Röntgenanlage vom Hersteller oder einem Prüflabor zu zertifizieren. Es dürfen nur Röntgenanlagen eingesetzt werden, für die ein Zertifikat zur Messung der Brennfleckgröße nach EN 12543 Teil 1, 2 oder 3 vorliegt, das nicht älter als ein Jahr ist. Die im Zertifikat genannte Brennfleckgröße ist zur Bestimmung der Aufnahmeparameter zu verwenden ....
"Die Spannung der Röntgenröhre wird nach EN 12544 Teil 1 oder 3 gemessen. Die Sollwerte sind vom Gerätehersteller anzugeben oder von einem Prüflabor zu zertifizieren. Die Abweichung zwischen Istwert und Sollwert der Röntgenspannung soll nicht größer als 3% sein."
Die Norm macht deutlich dass Betreiber von sicherheitstechnischen Einrichtungen (z.B. Kernkraftwerken oder Chemieanlagen) ihre ZfP mit verlässlich spezifizierten Röntgenanlagen durchführen wollen, um letztlich eine Verkürzung ihrer Revisionszeiten zu erreichen.
Vor diesem Hintergrund haben wir uns als Reparatur und Servicebetrieb den zukünftigen Prüfanforderungen gestellt und eine Bestandsaufnahme an uns zugänglichen Industrie-Röntgenanlagen durchgeführt. Wir berichten über unsere Ergebnisse und Erfahrungen und zeigen auf, wie die Qualitätssicherung strahlungstechnischer Geräteparameter momentan einzuschätzen ist.

2.) Brennfleckzertifizierung
Eine hohe Bildqualität ist die Grundvoraussetzung für die Erkennung von Materialfehlern in Röntgendurchstrahlungsbildern. Bildauflösung und Bildqualität hängen in starkem Maße von der Beschaffenheit des Röntgenbrennflecks ab. Die bildgebenden Eigenschaften des in der Objektebene wirksamen Brennflecks werden durch die zweidimensionale Energieverteilung und die geometrischen Abmessungen des Fokus bestimmt. Aus ihnen resultiert die geometrische Unschärfe ug die für Durchstrahlungprüfungen so klein wie möglich zu wählen ist.
Bisher wurde die Brennfleckgröße von industriellen Röntgenanlagen nach der medizinischen Norm DIN 6823 bzw. der IEC-Publikation 336/1982 vermessen. Diese Schriften definieren einen dimensionslosen Brennflecknennwert, der im Sinne einer Brennfleckklassifizierung zu verstehen ist. Für industrielle Anwendungen war oft problematisch, daß die in mm gemessene, tatsächliche Länge des Brennflecks in einigen Fällen bis über 110% größer sein durfte als der Brennflecknennwert.
Die zukünftige neue europäische Norm arbeitet nicht mehr mit einem dimensionslosen Brennflecknennwert sondern mit einer dimensionsbehafteten Brennfleckgröße d. Nach der prEN 12543 stehen insgesamt fünf Verfahren zur Verfügung, die sich in ihrem Aufwand und in ihrer Genauigkeit unterscheiden. Da das Scan-Verfahren (prEN 12543-1) die höchste Genauigkeit liefert, werden alle anderen Verfahren an dieser "Master"-Methode gemessen [1]. In Teil EN 12543-2 erfolgt die Brennfleck-Zertifizierung mit Hilfe des radiografischen Lochkameraverfahrens welches für Brennfleckabmessungen oberhalb von 0,2mm zugelassen ist.
Neben einer Reihe von definierten Aufnahmebedingungen (Winkel: Referenzachse und Lochblende < 3°, Abbildungsverzerrung < 5% etc.), die aus der medizinischen Normung übernommen wurden, schreibt die EN 12543-2 nun als Neuerung eine minimale Vergrößerung von 3:1 vor, wenn die Brennflecken in einem Größenbereich von 0,2 bis 1,0mm liegen, und eine Abbildung von 1:1 für Brennfleckausdehnung größer als 1mm.
Da bei Strahlungsenergien oberhalb von 200 keV die Abbildungseigenschaften der Lochkamera aufgrund von Kantendurchstrahlung abnehmen, ist die höchste Röntgenröhrenspannung auf 200 kV begrenzt. Unterhalb dieser Grenze ist die Röhrenspannung für den Aufnahmevorgang auf 75% der Nennspannung einzustellen.
Bisher wurde jeder Brennfleck durch seine Länge l, in Richtung der Röntgenröhrenachse (Elektronenstrahlrichtung) und seine Breite w, quer dazu beschrieben. Nach der neuen Norm wird die größere dieser Abmessungen zukünftig als "Brennfleckgröße d" bezeichnet und ist mit Bezug auf die EN 12543 als Zertifizierungsgröße anzugeben.

Messergebnisse:
Im Hinblick auf die Strahlungsentstehung an der Anode, stellt der Brennfleck ein indirektes Bild der auf die Anode einfallenden, räumlichen Elektronendichteverteilung dar. Diese Elektronenverteilung hängt von vielen konstruktiven Details der Röhre ab (Glühwendelgeometrie, Wehneltzylinder, Beschleunigungsstrecke etc.) und schlägt sich, wie ein charakteristischer Fingerabdruck, in der Struktur des Brennflecks nieder.
Durch das abbildende Lochkameraverfahren wird die Brennfleckaufnahme zu einem Kontrollinstrument, um Veränderungen am Entstehungsort der Röntgenstrahlung erkennen zu können.
In den Abbildungen 1 und 2 sind Brennfleckaufnahmen dargestellt, deren Targets sich durch eine Überlastungssituation verändert haben und nun einen Anstich bzw. eine Bruchlinie aufweisen. Um den Eindruck der Strahlungsverteilung im Brennfleck noch zu verstärken, wurden die Röntgenfilmaufnahmen zusätzlich mit einem Durchlichtscanner, d.h. in Transmission ( T = I / Io ), digitalisiert und die Brennfleckaufnahmen in 3-dimensionale Bilder umgesetzt. Die Bereiche mit stark verringerter Röntgenstrahlungsemission sind deutlich als Loch bzw. Graben zu erkennen. Sie liegen auf einer Linie starker lokaler Elektronenbelastung an der Anode.
Für den Radiographen im Prüffeld spielen die starken Modulationsunterschiede an der Anode nur eine untergeordnete Rolle, weil das Strahlungsfernfeld, welches in der Regel bei ZfP-Aufgaben angewandt wird, über diese Modulationen hinwegmittelt.
Obwohl durch einen ordnungsgemäßen Anlagenbetrieb eine hohe Langzeitstabilität der Brennfleckstruktur vorauszusehen ist, geben regelmäßige Brennfleckkontrollaufnahmen wichtige Informationen zum technischen Stand der Röhre und im Falle eines Anstichs zur weiteren Lebensdauererwartung.

Abb. 1:
Brennfleckaufnahme und 3D-Darstellung des Brennflecks einer Gleichspannungsanlage.
160kV / 19mA / Brennfleckgröße: (4,9 x 4,1)mm / Röhreneinbau: 1992 / Aufnahme: 1997.
Die Aufnahme zeigt einen deutlichen Anstich mit reduzierter Röntgenstrahlungsemission.

Abb. 2:
Brennfleckaufnahme und 3D-Darstellung des Brennflecks einer Gleichspannungsanlage.
320kV / 5mA / Brennfleckgröße: (3,3 x 2,8)mm / Röhreneinbau: 1989 / Aufnahme: 1996
Die Aufnahme zeigt eine Bruchlinie mit reduzierter Röntgenstrahlungsemission.

3.) Grenzenergiebestimmung
In diesem zweiten Kapitel geht es um die Spannungsbestimmung an Industrie-Röntgenanlagen d.h. die Umsetzung der EN 12544. An einer repräsentativen Zahl von Anlagen wurden Versuchsmessungen durchgeführt, um festzustellen, inwieweit die an den Steuergeräten angezeigten Werte mit den tatsächlichen Röhrenspannungen, bzw. den tatsächlichen Grenzenergien, korrespondieren.
Hintergrund ist die Frage nach dem Anlagenzustand, wenn beispielsweise ein Röhrentausch oder Servicearbeiten mit unkalibrierten Messgeräten durchgeführt wurden. Aber auch der Auslieferungszustand von Neugeräten erbrachte erstaunliche Ergebnisse.
Um alle Anforderungen zur Bestimmung der Röhrenspannung zu erfüllen, wurde das spektrometrische oder sogenannte nicht-invasive Verfahren (prEN 12544-3) des Normungspapiers herangezogen. Diese Methode hat den Vorteil, dass zur Bestimmung der Röhrenspannung das Energiespektrum der emittierten Röntgenbremsstrahlung analysiert wird. Es kann damit bei allen Röntgensystemen angewendet werden. Der Normungsentwurf deckt einen Spannungsbereich von 10keV bis 500keV ab.
Um die an der Röhre anliegende Hochspannung mit der Spannungsanzeige des Steuerpultes zu vergleichen, muss der hochenergetische Bereich des Röntgenbremsspektrums aufgezeichnet werden, aus dem sich die Grenzenergielage bestimmen lässt.
Die Messungen wurden sowohl mit einem NaJ-Detektor [2] als auch mit einem Ge-Detektor [3] durchgeführt, beide mit nachgeschaltetem Vielkanalanalysator zur Auswertung der elektrischen Stromsignale nach dem Impulshöhenverfahren.
Gemäß dem Messaufbau in Abb.3 sind Detektor und Vielkanalanalysator komplett in einer kombinierten Stahl-Bleiabschirmung untergebracht. Damit die Detektoren nur die Nutzstrahlung der Röntgenröhre registrieren, wurden die Röntgenstrahler in einer Bleikammer aufgestellt und nur der zentrale Teil des Röntgenstrahlbündels über eine 10mm große Bohrung ausgekoppelt. Die Bleikammer unterdrückt Streustrahlung, die eventuell durch das Gehäuse des zu untersuchenden Röntgenstrahlers austritt und die zu einer Verfälschung der Grenzenergiemessungen führen kann. Die Detektoreinheiten wurden jeweils in ca. 1m Entfernung vor der Bleikammer positioniert. Über eine Kollimatorbohrung (Durchmesser < 1mm) wird das Strahlungsbündel der Quelle nochmals eingegrenzt. Mit Hilfe von geeigneten Filterkombinationen (Al, Cu und Pb) werden die weichen Strahlungsanteile des Spektrums abgeschwächt und die höchste auftretende Energie scharf begrenzt. Über die Filterung muss die Photonenzählrate so gewählt sein, dass eine "Pile-up"-Situation vermieden wird [4],[5].

Abb. 3: Messaufbau für die Spannungsbestimmung

Die Kalibrierung der Spektrometer erfolgt mit Hilfe eines Ba133 Prüfstrahlers, der zwei ausgeprägte Linien bei 81keV und bei 356keV besitzt. Der Vielkanalanalysator kann 2048 Kanäle zur Verfügung stellen, die bei einem abzudeckenden Energiebereich von 500keV eine Kanalauflösung von 0.24keV ermöglichen. In Abb. 4 ist das g - Spektrum des Ba 133 Strahlers dargestellt wie es mit einem NaJ-System gemessen wird. Im Gegensatz zu einem Ge-Detektor ist das Auflösungsvermögen eines NaJ-Systems deutlich kleiner, wie dies an den Linienbreiten des Ba 133 g -Spektrums erkennbar ist. Die Genauigkeit der Grenzenergiebestimmung wird dadurch jedoch nicht eingeschränkt, weil in diesem Anwendungsfall kein Auflösungsvermögen gefordert ist, sondern die Grenzenergie durch Entfaltung [6] aus dem hochenergetischen Teil des Röntgenbremsspektrums bestimmt wird [4]. (Literaturhinweise für detailliertere Auswerteverfahren werden in [4] und [5] angegeben).
Neben den Kalibrierresonanzen des Bariums zeigt die Abb. 4 das Röntgenbremsspektrum einer Mittelfrequenzanlage, deren Spannung am Steuergerät auf 300kV eingestellt war. Der Wert für die Grenzenergie ergibt sich aus einer Ausgleichsgeraden, die aus den Punkten der hochenergetischen Spektrumsflanke bestimmbar ist und die die Energieachse im Nullpunkt der Zählratenachse (Ordinate) schneidet. Nach der Entfaltung ergibt sich ein Grenzenergiewert von ca. 337.8keV, der damit um ca. 13% höher liegt als die spezifizierte Nominalspannungsangabe der Anlage.

Meßergebnisse
Abb. 5 zeigt die systematische Vermessung des Grenzenergieverlaufs als Funktion der Hochspannungseinstellung am Steuerpult, für vier Röntgenanlagen mit unterschiedlicher Betriebstechnik und unterschiedlichen Fabrikats. Die Ordinate des Diagramms repräsentiert die relative prozentuale Abweichung zwischen dem Grenzenergie-Ist- und dem Grenzenergie-Sollwert.
Die Kreise gehören zu den Messdaten einer Gleichspannungsanlage, deren Soll- und Istwertverlauf sehr gut übereinstimmen. Die Punkte bewegen sich um die Nulllage herum und zeigen maximal 1,5% Abweichung im unteren Spannungsbereich. Die drei anderen getesteten Röntgenanlagen entsprachen nicht der Sollwertvorgabe. Ein Neugerät, welches durch die Quadrate repräsentiert wird, basiert auf Mittelfrequenztechnik und lag mit den ermittelten Grenzenergien weit über den Spannungswerten, die durch das Steuergerät vorgegeben wurden. Die relative Abweichung im Spannungsbereich 100-150kV liegt bei ca. 50%. Bei einer Spannung von 300kV hat die Anlage noch eine 13%-tige Überspannung, so daß wegen der Strahlungshärte der maximal zulässige Wert für die Haubendurchlassstrahlung (10mSv/h) weit überschritten wurde. Ein ähnliches Verhalten wurde auch an einer 200kV Einpulsanlage festgestellt (dargestellt durch Rauten), wobei eine Überschreitung der Nominalspannung um ca. 16.7keV gemessen wurde. Wegen der permanent anliegenden Überspannung ist zu erwarten, dass die Lebensdauer der Röhren drastisch sinkt. Daneben muss mit erheblichen sicherheitstechnischen Risiken gerechnet werden. Die Gehäuseschirmung nimmt für den harten Strahlungsanteil überproportional ab und kann durch die erhöhte Strahlungsemission aus dem Röhrentank zu einer Gefahr für das ZfP-Prüfpersonal werden.
Das Verhalten einer vierten, wiederum auf Mittelfrequenztechnik basierenden Anlage ist durch die Dreiecke gekennzeichnet. Die Steigung der Kurve ist so flach, dass die spezifizierte Grenzenergie von 300keV durch die maximale kV-Vorgabe am Bedienpult nicht erreicht wird. Im Spannungsbereich unterhalb von 210kV liegt die Anlage bis zu 20% über der Sollwerteinstellung, während oberhalb von 210kV die Sollwerteinstellung nicht erreicht wird. Im Rahmen röntgentechnischer ZfP-Prüfungen führen sowohl Über- als auch Unterspannungseinstellungen zu undefinierten Belichtungsbedingungen und zu Qualitätseinbußen im Abbildungsverhalten. Standardisierte Belichtungsparameter sind in Frage gestellt und können nur durch experimentellen Aufwand neu verifiziert werden.
Untermauert wird dies durch eine Abschätzung der Belichtungszeit, die sich leicht mehr als verdoppeln kann, wenn z.B. die tatsächlich anliegende Röhrenspannung durch Fehlkalibrierung 10% unter dem angezeigten Sollwert liegt. Sollte zusätzlich an gekrümmten Bauteilen geprüft werden, kann sich dieser Effekt noch verstärken, so dass wegen Röntgenlichtmangel unterbelichtete Bereiche auf der Prüfaufnahme entstehen [5],[7].

4.) Dokumentation durch Zertifikate
Im Rahmen von Wiederholungsprüfungen und besonders nach Reparatureingriffen ist eine Qualitätssicherung der Anlagenparameter dringend notwendig. Die Kenndaten sollten mit kalibrierten Messeinrichtungen erfaßt und in Form von Abnahmezertifikaten dokumentiert werden. Zwei Zertifikatentwürfe sind in den Abbildungen 6 und 7 dargestellt. Es handelt sich dabei um ein Brennfleckzertifikat und ein Grenzenergiezertifikat. Gerätebetreiber erhalten damit Auskunft über den technischen Stand ihrer Geräte. Neben den Betriebskenndaten des Herstellers sind auch die experimentellen Aufnahmeparameter der Anlagenprüfung vermerkt. Dem Brennfleckzertifikat sind Originalaufnahmen des großen und kleinen Brennflecks beigefügt, damit der Betreiber immer in der Lage ist, die Brennfleckgröße d selber nachzuhalten. Das Grenzenergiezertifikat gibt Auskunft über die Nominalspannungsabstimmung und über die Linearität des Grenzenergieverlaufes. Da die Grenzenergielage sehr von der Abstimmung der Anlagenkomponenten untereinander abhängig ist, sind im Zertifikat alle Baugruppen aufgelistet, aus denen die Anlage bei der Prüfung bestand. Diese Anlagenkomponenten sind auch im Prüfbericht zur Sachverständigenprüfung festgehalten, wobei die Prüfungsnummer mit in das Grenzenergiezertifikat übertragen wurde, um den Bezug zur Ursprungskonfiguration der Anlage herzustellen.

Neben einer Standardisierung der technischen Dokumentation in den Serviceabläufen liefern die Zertifikate eine hohe Transparenz für den Kunden, dem so die Möglichkeit gegeben wird, die durchgeführten Reparatur- und Kalibrierleistungen des Servicebetriebes nachzuvollziehen.

5.) Zusammenfassung
Das Ergebnis unserer Untersuchungen macht deutlich, dass eine umgehende Überführung der Normungsentwürfe prEN 12543 und prEN 12544 in eine europäische Norm mehr als wünschenswert ist. Eine Bestandsaufnahme an 32 Gleichspannungsanlagen hat gezeigt, dass an 4 Röhren Brennfleckveränderungen aufgetreten waren. Die Grenzenergieeinstellung war bei 5 Anlagen um mehr als 8% von der Nominalspannungsangabe abweichend. Bei 39 Eintankanlagen konnten 8 Systeme herausgefiltert werden deren Grenzenergieabweichungen größer 8% waren. Daneben gab es für beide Anlagensysteme eine Reihe von elektrischen Diskrepanzen die z.B. den Heizstrom und die Heizspannung betrafen (Erfahrungszeitraum ca. 2,5 Jahre). Da die Grenzenergielage stark von der elektrischen Abstimmung der einzelnen Baugruppen abhängig ist, sollte die Grenzenergie immer dann verifiziert werden, wenn aufgrund einer Reparatur eine elektrische Neueinstellung oder ein Baugruppentausch vorgenommen wurde. Unter normalen Betriebsbedingungen einer Anlage ist eine Brennfleck-Langzeitkonstanz der Regelfall. Allerdings steht mit der Brennfleckaufnahme ein Kontrollinstrument zur Verfügung, welches Veränderungen im Nahfeld der Röntgenlichtentstehung sofort nachweist und eine Überlastungssituation auf dem Target deutlich anzeigt.
Letztlich sollten Brennfleck und Grenzenergie nicht vollkommen unabhängig voneinander betrachtet werden, denn es ist nicht auszuschließen, dass beispielsweise ein Überspannungszustand an der Röhre zu einer lokalen Überlastungssituation auf dem Target führen kann.

Literaturhinweise

[1] U. Ewert, J. Löffler, B. Redmer,
Brennfleck-Computer-Tomographie
Ergebnis einer Studie zu 5 neuen Brennfleck-Normen EN 12543 T1-5
Berichtsband 59.1 / DGZfP Jahrestagung 1997 / S. 289.

[2] R. L. Heath,
Scintillation Spectrometry
AEC Report, IDO-16880-1 (1964).

[3] G. F. Knoll,
Radiation Detection and Measurement
John Wiley & Sons, (1979).

[4] R. Wille, K. Heidl,
Spannungsbestimmung an Industrie-Röntgenanlagen als
Qualitätsnachweis der gerätetechnischen Einstellungsparameter.
Berichtsband 59.2 / DGZfP Jahrestagung 1997 / S. 811.

[5] R. Wille, K. Heidl,
Spannungsbestimmung an Industrie-Röntgenanlagen
Quality Engineering, 56, 6 (1998).

[6] G. Musiol, J. Ranft, R. Reif, D. Seeliger,
Kern- und Elementarteilchenphysik
VCH-Verlag Weinheim, ISBN 3-527-26886-3 (1988).

[7] Persönliche Mitteilung von Dr. U. Ewert,
BAM / Berlin, Laboratorium VIII.31 / Durchstrahlungsverfahren.