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PGAI-NT

Prompt Gamma Activation Imaging

PGAI-Setup PGAI-Setup Abbildung 1: Schema des PGAI-Setups (R.Schulze, FRM II, modifiziert von E. Kluge, IKP, U Köln).

Abbildung 1: Schema des PGAI-Setups (R.Schulze, FRM II, modifiziert von E. Kluge, IKP, U Köln).

PGAI steht als Abkürzung für Prompt Gamma Activation Imaging und ist eine Erweiterung der klassischen PGAA-Methode um räumliche Auflösung. Mit diesem Verfahren ist es sogar möglich zerstörungsfrei an Informationen über die Elementzusammensetzung im Inneren eines Objekts zu gelangen. Dies wird durch Kollimation des Neutronenstrahls sowie der Gammastrahlung vor Eintritt in den HPGe-Detektor erreicht. Um den Kreuzungspunkt der Neutronenstrahlachse und der verlängerten Achse des Gammakollimators „entsteht“ so ein feststehender Messbereich. Mit Hilfe eines in alle drei Raumrichtungen fahrbaren Positioniertisches können beliebige Teilvolumina (iso-volumes) eines Objekts einstellt werden.

NT-Setup NT-Setup Abbildung 2: Schema des NT-Setups (R.Schulze, FRM II, modifiziert von E. Kluge, IKP, U Köln).

Abbildung 2: Schema des NT-Setups (R.Schulze, FRM II, modifiziert von E. Kluge, IKP, U Köln).

In Abbildung 1 ist der Aufbau des PGAI-Setups schematisch dargestellt. Die kleinsten noch messbaren Volumenelemente liegen in der Größenordnung von wenigen Millimetern. Die begrenzte Auflösung kann teilweise dadurch ausgeglichen werden, das vom selben Objekt eine Neutronentomographie (NT) durchgeführt wird, siehe auch den schematischen Aufbau in Abbildung 2. Dadurch werden einerseits innere Strukuren im sub-mm-Bereich sichtbar gemacht, andererseits können über die verschiedenen Absorptionskoeffizienten erste Informationen über die Materialzusammensetzung gewonnen werden. Wenn die Methoden der PGAI und der Tomographie zur PGAI-NT kombiniert werden, können dann genauere Aussagen zum inneren Aufbau von Objekten getroffen werden. Das aktuell genutzte PGAI-NT-Setup wurde von E. Kluge und S. Thiel (IKP U Köln) etwickelt, siehe auch Abbildungen 1 und 2.

Beispielhafte Anwendungen

Im Wesentlichen archaeologische Artefakte, bisher z.B.:

  • In römischem Münzgewicht aus Blei wurden Kupferstücke im Inneren nachgewiesen – diese wurden vermutlich in betrügerischer Absicht zur Gewichtsreduzierung zugefügt.
  • Untersuchung des Inhalts eines christlichen Reliquiars.
  • Amulettkapseln, Siegel etc.

Denkbar sind auch Anwendungen in der zerstörungsfreien Prüfung von Werkstücken – z.B. Untersuchung innerer Ablagerungen in Hohlräumen. Eine Anwendung der Kombination von PGAA aund NT findet sich in [1].

Technische Daten

Für die PGAI wird der bereits kollimierte Strahl noch weiter mit einem zusätzlichen Kollimator begrenzt. Für die NT wird dagegen der Modus mit der elliptischen Verlängerung in Kombination mit einer Lochblende im Fokuspunkt verwendet – es handelt sich also um eine konische Strahlgeometrie.

NT:

  • Lochblende (B4C) im Fokuspunkt als künstliche Punktquelle für konische Tomographie.
  • Glättung des Strahlprofils durch Graphitfilter.
  • Max. Distanz Öffnung-Probe: 800mm.
  • x-y-z-ɷ-Tisch (xHuber): Rotation mit 200 Schritten pro Grad, zusätzliches Getriebe (20:1) einbaubar.
  • Szintillator: Al-Platte (Dicke 1mm), 6LiF/ZnS(Ag)/P, Schichtdicke 50μm, Auflösung 84µm.
  • 5,5 Megapixel CMOS-Kamera (Andor Neo) mit 100mm-Makroobjektiv (Zeiss Milvus).
  • Field-of-View 30mm-100mm
  • L/D = 250.

PGAI:

  • Fluss siehe PGAA (kollimierter Strahl)
  • B4C-Lochblende: Dicke 6mm, Lochdurchmesser 2mm
  • Kleinstes Strahlprofil (Isovolumen): horizontal 3.2mm / vertikal 2.7mm
  • x-y-z-ɷ-Tisch (xHuber): siehe NT

Mehr Details des NT-Aufbaus finden sich in [2].

Messbedingungen

Maximale Probenabmessungen: 70×70×70 mm3.

Für die PGAI ist der Zeitbedarf stark abhängig von der Probenzusammensetzung und der Fragestellung. Für eine Messung mit ausreichender Statistik sollte pro Messvolumen mit 0,5 bis 4 Stunden gerechnet werden. Wir bitte daher die Messungen unbedingt im Vorfeld und zusammen mit den Instrumentwissenschaftlern durchzuplanen. In der Regel sind Hauptbestandteile gut erreichbar, während Spurenelemente vielfach nicht erfasst werden können – mit Ausnahmen wie z.B. Bor.

Die NT wird zur Visualisierung und Ergänzung der PGAI- oder auch der (Bulk-)PGAA-Ergebnisse genutzt. Eine reine NT bietet die Elementanalysegruppe üblicherweise nicht an – in diesem Fall stehen am MLZ aber die Instrumente ANTARES und NECTAR zur Verfügung.

Referenzen

[1] Kluge, E. J.; Stieghorst, C.; Wagner, F.; Gebhard, R.; Revay, Z. & Jolie, J. (2018), ‘Archaeometry at the PGAA facility of MLZ – Prompt gamma-ray neutron activation analysis and neutron tomography’, Journal of Archaeological Science: Reports 20 , 303-306.

[2] Kluge, E. J.; Stieghorst, C.; Révay, Zs.; Kudějová, P.; Jolie, J. (2019), Optimization and characterization of the PGAI-NT instrument’s Neutron Tomography set-up at MLZ, Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A, Volume 932, p. 1-15.

Instrumentverantwortliche

Dr. Zsolt Revay
Telefon: +49 (0)89 289-12694
E-Mail:

Dr. Christian Stieghorst
Telefon: +49 (0)89 289-54871
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Betreiber

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