Per Teilchenschauer Bauteile durchleuchten

Energiereiche Myonen können mühelos mehrere Meter Stahl oder Beton durch­dringen. Ein Team am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossen­dorf will die Teilchen­strahlung nutzen, um in das Innere indus­trieller Apparate oder Bauwerke zu blicken. Das Problem: Myonen-Detektoren, die in der Hochenergie-Physik in Forschungs­zentren wie dem CERN eingesetzt werden, sind empfindlich und teuer. Deshalb entwickeln Tomographie-Experten des HZDR nun einen Demonstrator: einen kosten­günstigen, groß­flächigen und hoch­auf­lösenden Myonen-Detektor für die zerstörungs­freie Zustands­über­wachung. Die Helmholtz-Gemein­schaft fördert das Vorhaben für einen Zeitraum von zwei Jahren mit einer halben Million Euro.

Jede zehnte Brücke in Deutschland weist laut dem Bundesamt für Straßenwesen gravierende Mängel auf. Korrosion greift die Armierung im Beton an. Deshalb werden Brücken regelmäßig überprüft. Für die Grundstoff-Industrie ist das ständige Monitoring von Produktions­anlagen ebenfalls unerlässlich – und zudem mit immensen Kosten verbunden. Bis zu fünfzig Meter hohe Destil­lations­kolonnen, große Stahlguss-Anlagen oder Drehrohr-Öfen für die Verbrennung von Rückständen müssen stillstehen, denn nur so können Anzeichen von Verschleiß entdeckt werden. Und wie steht es um den Zustand der abgebrannten Brenn­elemente, die sich in den derzeit 17 Zwischenlagern in Deutschland in Lager­behältern befinden?

„Theoretisch eignet sich die Myonen-Bildgebung für solche Anwendungs­fälle ganz hervor­ragend“, erklärt Uwe Hampel vom HZDR. Myonen sind Teil der kosmischen Strahlung. Die geladenen Teilchen sind äußerst energiereich und dringen tief in Materialien ein. Mithilfe hoch­auf­lösender Detektoren lassen sich deshalb drei­dimen­sionale Bilder vom Inneren großer Industrie­anlagen und Bauwerke gewinnen. „Für das Monitoring sind die vorhandenen Detektor­typen jedoch nicht robust genug und viel zu teuer“, erläutert Hampel. Die aufwendige Fertigung einerseits und die Anzahl der Elektronik-Kanäle, die für hoch­auf­lösende Bilder nötig sind, treiben die Kosten in die Höhe.

Nun sollen neue Ideen der Myonen-Bildgebung zum Durchbruch verhelfen: Dazu zählen Detektor­konzepte mit einer speziellen Matrix­struktur für die Elektronik, die Hampels Team ursprünglich für einen patentierten Gittersensor entworfen hatte. „Unsere Struktur zeichnet sich dadurch aus, dass wir in der Fläche hoch­effizient Signale orten und weiter­leiten können, um sie anschließend mit eigens entwickelten Algorithmen auszuwerten. Dieses Schema auf Myonen-Detektoren zu übertragen, ist uns bereits gelungen“, berichtet Hampel.

Die Matrixstruktur eignet sich prinzipiell sowohl für die Draht­elektroden eines Gasioni­sa­tions­detektors wie für die optischen Fasern eines Szintil­la­tions­detektors. Ein weiterer Vorteil: Dank des durch­dachten Adressierungs­schemas lassen sich sowohl die Anzahl der Elektronik-Kanäle als auch die Kosten für die Detektoren drastisch reduzieren.

Im Rahmen des Projekts wollen die Forscher verschiedene Detektor-Prinzipien vergleichend analysieren. „Insbesondere interessiert uns dabei, ob sich die Testdetektoren im indus­triellen Umfeld – also bei Temperatur­schwankungen oder Vibrationen – als robust erweisen“, erklärt Hampel. Mit dem gewonnenen Wissen will er mit seinem Team einen Prototyp bauen und gemeinsam mit potenziellen Anwendern experi­mentell erproben. Mit im Boot sind dabei das EWN Entsorgungs­werk für Nuklear­anlagen, die Bundes­anstalt für Material­forschung und -prüfung sowie die BASF.

Noch ist die Idee darauf beschränkt, Anlagen und Bauwerke mit modular aufgebauten, mobilen Detektoren in Intervallen zu überprüfen, doch Hampel verfolgt eine klare Vision: „Wir wollen langfristig die Kosten für Sensoren und Messtechnik so weit senken, dass eine stationäre Langzeit-Über­wachung möglich wird.“

HZDR / RK

Weitere Infos

• Reaktorsicherheitsforschung (U. Hampel), Institut für Fluiddynamik, Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf