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Spannungsbestimmung an Industrie-Röntgenanlagen - Der Normungsentwurf prEN 12544 auf dem Prüfstand Dr. R. Wille und K. Heidl, Römatec Service-Zentrum, 59199 Bönen Einleitung: Das technische Komitee CEN/TC 138 hat detaillierte Normungsentwürfe zur Spezifizierung industrieller Röntgenanlagen ausgearbeitet, die sowohl die Messung der Röntgenröhrenspannung (prEN 12544) als auch die Vermessung und Charakterisierung von Brennflecken (prEN 12543) betreffen. Diese Normungsentwürfe sind bereits mehr als eine vorbereitende Handlungsrichtlinie. Sie sollten möglichst umgehend in einer europäischen Norm festgeschrieben werden. Die DIN BOO 25435-7 "Wiederkehrende Prüfungen der Komponenten des Primärkreises von Leichtwasserreaktoren" hat diese Leitfäden zur Spezifizierung der einzusetzenden Strahlungsquellen in ihre Prüfvorschrift integriert. Demnach müssen Röntgenanlagen im Hinblick auf ihre Eigenschaften bezüglich Brennfleckgröße, Brennflecklage und Röhrenspannung vom Hersteller oder einem Prüflabor zertifiziert sein. In diesem Beitrag geht es ausschließlich um die Spannungsbestimmung an Industrie-Röntgenanlagen. 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 übereinstimmen. Motiviert wurde diese Untersuchung durch eine Reihe von Erfahrungen, die nicht im Einklang mit den Anforderungen stehen, die nach den Regeln der Qualitätssicherung von einer verläßlich geprüften Anlage erwartet werden. Für den Bereich der Industrie-Röntgenanlagen ist die Frage der Grenzenergieeinstellung von besonderer Bedeutung. Unter Grenzenergie versteht man den hochenergetischen Strahlungsanteil des Röntgenbremsspektrums, der dadurch entsteht, daß die gesamte Energie eines durch die Hochspannung beschleunigten Elektrons bei einem einzigen Bremsprozeß in ein Röntgenquant umgewandelt wird. Diese maximal auftretende Strahlungsenergie ist direkt proportional zur angelegten Röhrenspannung. Interessant ist die Frage nach dem Anlagenzustand, wenn beispielsweise ein Röhrentausch oder Serviceeinstellungen mit unkalibrierten Meßgeräten durchgeführt werden. Jedoch auch der Qualitätsstandard von Neugeräten wurde in diese Untersuchung mit einbezogen. Um die verschiedenen Anforderungen an die Bestimmung der Röhrenspannung zu erfüllen, werden in dem Normungspapier drei verschiedene Verfahren angegeben. Aufgeführt sind a.) das Spannungsteilerverfahren (EN 12544-1) / (sekundärseitige Absolutmessung der HV), b.) das Dickfilter-Verfahren (EN 12544-2) / (Konstanzprüfung) und c.) das spektrometrische Verfahren (EN 12544-3). Das spektrometrische oder sogenannte nichtinvasive Verfahren hat den Vorteil, daß es zur Bestimmung der Röhrenspannung das Energiespektrum der emittierten Röntgenbremsstrahlung analysiert. Es kann damit bei allen Röntgensystemen angewendet werden, also auch dann, wenn das Spannungsteilerverfahren und das Dickfilter-Verfahren nicht realisierbar sind. Der Normungsentwurf deckt einen Spannungsbereich von 10keV bis 500keV ab. Es soll sichergestellt werden, daß die aktuell anliegende Hochspannung mit dem auf dem Steuerpult angezeigten Wert übereinstimmt. Dazu muß nicht das komplette Energiespektrum aufgezeichnet werden, sondern nur der hochenergetische Bereich des Bremsspektrums, aus dem sich die Grenzenergie bestimmen läßt. Messaufbau, Kalibrierung, Auswertestrategie Es wurde ein Messplatz aufgebaut, mit dessen Hilfe Röntgenspektren aufgenommen werden können. Das im vorgegebenen Energiebereich anwendbare Verfahren ist die Impulshöhenanalyse der emittierten Röntgenbremsstrahlung [2], wobei strahlungsempfindliche Detektoren Strom- oder Spannungssignale erzeugen, deren Amplitude proportional zur einfallenden Photonenenergie ist. Zum Einsatz kommen hier sowohl ein NaJ-Szintillationskristall mit Photomultiplier [3] als auch ein Ge-Kristall [4], beide mit nachgeschaltetem Vielkanalanalysator zur Auswertung der elektrischen Signale. Maximal sind 2048 Kanäle nutzbar, die bei einem Energiebereich von 500keV eine Kanalauflösung von ca. 0.24keV ermöglichen. Sowohl im Hinblick auf die Unterdrückung von Röntgen-Störstrahlung als auch im Hinblick auf die Unterdrückung von EMV-Effekten, sind Detektor und Vielkanalanalysator komplett in einer kombinierten Stahl-Bleiabschirmung untergebracht.
Bild 1: Messaufbau für die Spannungsbestimmung an Industrie-Röntgenanlagen. Der Messaufbau ist in Bild 1 dargestellt. Damit die Detektoren nur die Nutzstrahlung der Röntgenröhre registrieren, werden die Röntgenstrahler in einer Bleikammer aufgestellt und nur der zentrale Teil des Röntgenstrahlbündels über eine 10mm große Bohrung ausgekoppelt. Die Bleikammer unterdrückt Streustrahlung, die durch das Gehäuse des zu untersuchenden Röntgenstrahlers austritt und die zu einer Verfälschung der Messungen führen kann. Die Detektoreinheiten sind in ca. 1m Abstand vor der Bleikammer positioniert. Über eine Kollimatorbohrung wird das Strahlungsbündel der Quelle nochmals eingegrenzt. Die weichen Strahlungsanteile des Spektrums werden mit Hilfe von geeigneten Filterkombinationen (Al, Cu und Pb) abgeschwächt. Filterdicke, Strahldurchmesser und Abstand zwischen Röntgenröhre und Detektionssystem müssen so gewählt sein, dass die Photonenzählrate klein bleibt und der sogenannte "Pile-up"-Effekt nicht auftreten kann. Zu beachten ist, dass die Bestimmung der Grenzenergie nicht durch die K-Röntgenfluoreszenz der Filtermaterialien beeinflusst wird [1]. Besonders kritisch ist die K-Fluoreszenz von Blei, die zwischen 72keVund 87keV liegt. Die Kalibrierung der Spektrometer erfolgt mit Hilfe eines Ba133 Prüfstrahlers, der zwei ausgeprägte Linien bei 81keV und bei 356keV besitzt. In Bild 2 ist das g -Spektrum des Ba133 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 g -Spektrums erkennbar ist.
Die Messaufgabe besteht hier jedoch nicht darin, dicht beieinanderliegende Linien zu trennen (Auflösungsvermögens), sondern die Grenzenergie des Röntgenbremsspektrums zu bestimmen. Wie jedes Meßsystem ist auch ein Spektrometer durch eine gewisse Systemauflösung gekennzeichnet. Für die Ermittlung der gesuchten Messwerte ist üblicherweise eine Entfaltung unter Berücksichtigung der systemspezifischen Ansprechfunktion durchzuführen [2]. Neben den Kalibrierresonanzen des Bariums zeigt das Bild 2 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 beim Grenzenergiewert schneidet. Im gezeigten Spektrum liegt dieser Wert bei einer Grenzenergie von ca. 337.8keV und damit um ca. 20% höher als die spezifizierte Nominalspannung der Anlage. (Detailliertere Auswerteverfahren werden in [5] und [6] beschrieben.) Messergebnisse
Bild 4 zeigt die systematische Vermessung der Grenzenergie als Funktion der eingestellten Hochspannung für vier Röntgenanlagen unterschiedlichen Fabrikats. Durch die Kreise sind Messdaten dargestellt, die an einer Gleichspannungsanlage gemessen wurden und die mit dem Sollverlauf (durchgezogene Linie) sehr gut übereinstimmen. Die drei anderen getesteten Röntgenanlagen entsprachen nicht der Sollvorgabe. Das Gerät (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. Aufgrund der Strahlungshärte im Spannungsbereich 250-300kV hat diese Anlage den maximal zulässigen Wert für die Haubendurchlassstrahlung (10mSv/h) weit überschritten. Ein ähnliches Verhalten wurde auch an der 200kV Einpulsanlage festgestellt (dargestellt durch Sechsecke), 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. 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 zu erreichen ist. Damit sind die für eine Durchstrahlungsprüfung standardisierten Belichtungsparameter in Frage gestellt und können nur durch experimentellen Aufwand neu verifiziert werden.
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Diskussion der Messergebnisse
Wie bereits oben angemerkt, führt eine Sollwertüberschreitung der Röhrennominalspannung zu einer drastischen Verkürzung der Röhrenlebensdauer. Daneben muss in diesem Fall auch 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.
Im Rahmen röntgentechnischer ZfP-Prüfungen führen sowohl Über- als auch Unterspannungseinstellungen zu undefinierten Belichtungsbedingungen und zu Qualitätseinbußen im Abbildungsverhalten.
| Bild 5: Belichtungszeiterhöhung als Funktion der Röhrenspannungsanzeige bei 10% Hochspannungsunterschreitung. (d.h. der effektiv an der Röhre anliegende Spannungswert ist 10% kleiner, als der Wert der HV-Anzeige auf dem Steuerpult) |
Untermauert wird dies durch eine theoretische Abschätzung, deren Ergebnis in Bild 5 dargestellt ist.. Darin ist, als Funktion der Röhrenspannungsanzeige, eine Belichtungszeiterhöhung aufgetragen, die sich dann ergibt, wenn die tatsächlich anliegende Röhrenspannung durch Fehlkalibrierung 10% unter dem angezeigten Sollwert liegt. Grundlage dieses Unterspannungsfalles ist eine Berechnung der transmittierten Röntgenphotonendichte, in Abhängigkeit von der HV Röhrenspannung und der zu durchdringenden Stahlwandungsstärken von 24, 30 und 36mm [7]. Die ermittelten spannungsspezifischen Photonenwerte können dann durch eine definierte Verhältnisbildung in eine Belichtungszeiterhöhung umgerechnet werden. Das Diagramm zeigt deutlich, dass im standardgenutzten Energiebereich um 200keV (sollte einer HV-Spannung von 200kV entsprechen) leicht mehr als eine Verdopplung der Belichtungszeit auftreten kann. Sollte zusätzlich an gekrümmten Bauteilen geprüft werden, kann sich dieser Effekt noch verstärken, so dass wegen Röntgenlichtmangel unterbelichtete Bereiche auf der Prüfaufnahme entstehen. Für Inspektionen an sicherheitsrelevanten Bauteilen werden Röntgenstrahler in der Regel direkt vor Ort eingesetzt. Dem Prüfer bleibt damit für die Energieeinstellung nur die Orientierung an der Hochspannungsanzeige des Steuergerätes. Betreiber von sicherheitstechnischen Einrichtungen (z.B. Kernkraftwerken oder Chemieanlagen) werden zukünftig eine Verkürzung ihrer Revisionszeiten anstreben, was die Notwendigkeit unterstreicht, die durchzuführenden Prüfungen mit verlässlich spezifizierten Röntgenanlagen durchzuführen. Das Ergebnis unserer Untersuchung macht deutlich, dass eine umgehende Überführung des Normungsentwurfes prEN 12544 in eine europäische Norm mehr als wünschenswert ist. Im Rahmen von Wiederholungsprüfungen und besonders nach Reparatureingriffen ist die Qualitätssicherung der Anlagenparameter dringend notwendig. Die Kenndaten sollten mit kalibrierten Messeinrichtungen erfasst und in Form von Abnahmezertifikaten festgehalten werden. Damit wird dem Betreiber bzw. Geräteeigentümer eine Dokumentation an die Hand gegeben, die Auskunft über den aktuellen Gerätezustand gibt. Außerdem sorgen diese Zertifikate für eine hohe Transparenz bezüglich der durchgeführten Reparatur- und Kalibrierleistungen.
Literaturhinweise
[1] Europäische Norm,
Entwurf prEN 12544-3, Nov. 1996 D.
[2] G. Musiol, J. Ranft, R. Reif, D. Seeliger,
Kern- und Elementarteilchenphysik
VCH-Verlag Weinheim, ISBN 3-527-26886-3 (1988).
[3] R. L. Heath,
Scintillation Spectrometry
AEC Report, IDO-16880-1 (1964).
[4] G. F. Knoll,
Radiation Detection and Measurement
John Wiley & Sons, (1979).
[5] H. Heidt et. al.,
Röntgen- und Gammastrahlen Computer-Tomographie
BAM Forschungsbericht 101, ISBN 3-88314-327-B (1984).
[6] G. Wehner,
Methoden zur Bestimmung der kurzwelligen Grenze einer Röntgen-Bremsstrahlung.....
PTB-Mitteilungen 4 (1971).
[7] U. Ewert,
Laboratorium VIII.31 / Durchstrahlungsverfahren
BAM, 12205 Berlin, Unter den Eichen 87
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