Per Teilchenschauer Bauteile durchleuchten

Verbesserte Myonen-Bildgebung für Brücken, Chemieparks und Castor-Behälter.

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.

Abb.: Schema der Myonen-Bild­ge­bung an einem Castor-Be­hälter (links). Die...
Abb.: Schema der Myonen-Bild­ge­bung an einem Castor-Be­hälter (links). Die Bahnen der Myonen werden von De­tek­to­ren ober­halb und unter­halb des Be­hälters ge­messen. Die Mate­rial­ver­tei­lung des Be­häl­ters ver­ur­sacht leich­te Ab­len­kun­gen der Bahnen. Aus simu­lier­ten Myonen­pfaden (rechts) re­kon­stru­iertes Quer­schnitts­bild der Mate­rial­ver­tei­lung im Be­häl­ter. Die qua­dra­ti­schen Grund­for­men der 19 Brenn­ele­mente zeich­nen sich im Bild gelb­lich ab. (Bild: M. Wagner, HZDR)

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

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