F1 Röntgenrefraktion

Prof. Dr. Giovanni Bruno

 


BAM - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
Division 8.5 - Micro- NDT
Unter den Eichen 87
D-12205 Berlin

Die Röntgenrefraktion beruht auf dem Effekt der Brechung elektromagnetischer Strahlung an Grenzflächen zwischen Bereichen unterschiedlicher Dichte. Dieser Effekt ist sehr ausgeprägt, wenn der Brechungsindexkontrast (also nicht unbedingt der Dichtenkontrast) an der Grenzfläche groß ist, wie z.B. zwischen Luft und Materie. Er wird in der technischen Optik (sichtbarer Bereich des elektromagnetischen Spektrums) genutzt, um Abbildungssysteme für z.B. Kameras und Mikroskope sowie Brillen und Kontaktlinsen herzustellen. In der Materialcharakterisierung und zerstörungsfreien Prüfung wird er dazu benutzt, freie Oberflächen in Form von Poren oder Rissen innerhalb eines Materials (oder Bauteils) zu detektieren. Im Unterschied zum sichtbaren Spektrum ist der Brechungsindex n der Materie für Röntgenstrahlen kleiner als 1 (n = 1 – 10-5), wodurch konvexe Linsen zu Streulinsen und konkave Linsen zu Sammellinsen werden und die Ablenkwinkel nur wenige Bogenminuten betragen, was eine sehr präzise Justierung und Temperaturstabilität der Messapparatur erfordert.

Eine typische Messapparatur für die Röntgenrefraktionsuntersuchung besteht aus einer Röntgenröhre nebst Hochspannungsgenerator, einem Kollimator- und Messspalt-System (Typ Kratky-Kammer, die für Röntgen-Kleinwinkel-Streuuntersuchungen entwickelt wurde), zwei Röntgendetektoren (Photomultiplier mit Szintillator) mit Messelektronik, einem Probenmanipulator-System (x, y, z linear und w Rotation) und einem PC, der die Probenbewegung und Messwerterfassung steuert.

Der Röntgenstrahl wird durch das Kollimator-System auf einen Strahlquerschnitt von ca. 50 mm × 2 mm reduziert. Der Probenmanipulator bewegt die Proben in einem Raster in der x-y-Ebene (senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung) durch den Röntgenstrahl. Mit den beiden Röntgendetektoren werden die Transmissions- und Refraktionseigenschaften der Proben ortsabhängig registriert. Aus dem Messwert werden die folgenden Größen bestimmt:

  • linearer Absorptionskoeffizient × Probendicke:      
  • Refraktionswert × Probendicke:                              

 

Prof. Dr. Giovanni Bruno

 


BAM - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
Division 8.5 - Micro- NDT
Unter den Eichen 87
D-12205 Berlin

Experimentelle Aufgabenstellung:

  1. Machen Sie sich mit den Komponenten der Refraktionsanlage vertraut! Aus welchen Komponenten besteht die Anlage. Was wird womit gemessen? Welche Messparameter sind zu notieren, damit eine Messung zu einem späteren Zeitpunkt wiederholt werden kann. Eine Skizze sowie ein Foto können sehr hilfreich sein!
  2. Prüfen Sie die zeitliche Stabilität der Refraktionsanlage.
  3. Benutzen Sie die Poisson‘sche Statistik, um die Messzeiten abzuschätzen und die Messgenauigkeit zu bestimmen.
  4. Bei allen Aufgaben ist es wichtig, die Scan Bereiche der Probe genau zu definieren und eine geeignete Schrittweite sowie eine ausreichende Integrationszeit pro Messpunkt zu wählen.
  5. Bestimmen Sie die Größe/Querschnitt des Röntgenstrahls am Ort der Probe.
  6. Untersuchen Sie die folgenden Proben:
  1. Messung des Transmissions- und Refraktionssignals einer 1mm dicken Aluminiumplatte:
    - Bestimmen Sie die Werte für  und  sowie die Röntgenwellenlänge (z.B. henke.lbl.gov/optical_constants/)
  2. Messung des Transmissions- und Refraktionssignals von Papier verschiedener Dicke:
    - Bestimmen Sie die Werte für  und .
    - Können Sie eine Orientierung feststellen?
  3. Messung des Transmissions- und Refraktionssignals in Abhängigkeit von der Probendicke:
    Dazu werden unterschiedlich dicke Stapel von magnetischen Bändern gemessen:
    - Bestimmen Sie die Werte für  und  in Abhängigkeit von der Stapeldicke .
    - Können Sie eine Orientierung feststellen?
  4. Messung des Transmissions- und Refraktionssignals in Abhängigkeit von der Probenposition:
    Dazu wird ein zylindrischer Stab schrittweise durch den Röntgenstrahl bewegt. Die Sehnenlänge soll an jeder Messposition aus den Messwerten bestimmt werden. Der Stabdurchmesser soll aus den Messwerten des Refraktions-Kanals ermittelt werden.
  5. Messung der Orientierung eines Faserbündels:
    Ein Faserbündel wird in verschiedenen Orientierungen zum Röntgenstrahl gemessen und der Refraktionswert  in Abhängigkeit von der Faserorientierung bestimmt.
  6. Messung an Holzproben:
    Holzquader werden in unterschiedlichen Orientierungen zum Röntgenstrahl gescannt und die Orientierung der Faserstruktur des Holzes bestimmt.
  7. Messung einer Pulverprobe:
    Messen Sie mehrere Spuren der Probe (Statistik) und diskutieren Sie das Ergebnis.