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Methoden und Anwendungen für bildgebende Verfahren mit hohen Neutronenflüssen

Ballhausen, Hendrik

English Title: Methods and applications in high flux neutron imaging

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PDF, German
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Abstract

Die vorliegende Dissertation entwickelt neue Methoden für die Neutronenradiographie und Neutronentomographie bei hohen Flüssen und beschreibt deren Anwendung in konkreten Experimenten. Anstelle einzelner Aufnahmen können dank der hohen Intensität mit kurzen Belichtungszeiten Serien von Bildern aufgenommen werden. Um die gestiegene Informationsmenge bestmöglich ausnutzen zu können, werden Schätzmethoden eingeführt, die aus den gemessenen Ensembles auch bei starkem Rauschen der einzelnen Messwerte und in Anwesenheit systematischer Einflüsse wie etwa störender Gammastrahlung sehr exakte Erwartungswerte der Messgrößen liefern. Die Ortsauflösung von Radiographien, die gewöhnlich durch Strahldivergenz und das inhärente Auflösungsvermögen von Szintillatoren begrenzt ist, kann durch Abrastern der Probe mit einem Nadelloch-Mikrokollimator wesentlich erhöht werden. Diese Technik umgeht alle Limitierungen konventioneller Detektorsysteme und konnte dank des hohen Flusses erfolgreich erprobt werden. Die Abbildung gestreuter Neutronen erlaubt im Gegensatz zur konventionellen, auf der gesamten Attenuation basierenden Radiographie, die getrennte Bestimmung der Absorptions- und Streuquerschnitte innerhalb der Probe. Erstmals konnte sogar kohärente winkelabhängige Streuung räumlich aufgelöst werden. Als neue Anwendungen der Hochflussneutronenbildgebung werden unter anderem materialwissenschaftliche Untersuchungen an innovativen Metallverbindungen, zeitaufgelöste Tomographien an mehrlagigen Brennstoffzellen im Betrieb und andere Experimente präsentiert. Eine neue Implementierung eines algebraischen Rekonstruktionsverfahrens für Tomographiedaten ermöglicht es, auch bei fehlender Information, wie etwa einem eingeschränkten Winkelbereich, quantitative Rekonstruktionen zu erzeugen. Der Aufbau der weltweit führenden Hochfluss-Radiographie- und Tomographiestation am Institut Laue-Langevin wird vorgestellt. Ein umfassender Anhang präsentiert die physikalischen und technischen Grundlagen der Bildgebung mit Neutronen.

Translation of abstract (English)

This treatise develops new methods for high flux neutron radiography and high flux neutron tomography and describes some of their applications in actual experiments. Instead of single images, time series can be acquired with short exposure times due to the available high intensity. To best use the increased amount of information, new estimators are proposed, which extract accurate results from the recorded ensembles, even if the individual piece of data is very noisy and in addition severely affected by systematic errors such as an influence of gamma background radiation. The spatial resolution of neutron radiographies, usually limited by beam divergence and inherent resolution of the scintillator, can be significantly increased by scanning the sample with a pinhole-micro-collimator. This technique circumvents any limitations in present detector design and, due to the available high intensity, could be successfully tested. Imaging with scattered neutrons as opposed to conventional total attenuation based imaging determines separately the absorption and scattering cross sections within the sample. For the first time even coherent angle dependent scattering could be visualized space-resolved. New applications of high flux neutron imaging are presented, such as materials engineering experiments on innovative metal joints, time-resolved tomography on multilayer stacks of fuel cells under operation, and others. A new implementation of an algorithm for the algebraic reconstruction of tomography data executes even in case of missing information, such as limited angle tomography, and returns quantitative reconstructions. The setup of the world-leading high flux radiography and tomography facility at the Institut Laue-Langevin is presented. A comprehensive appendix covers the physical and technical foundations of neutron imaging.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Abele, Prof. Dr. Hartmut
Date of thesis defense: 7 February 2007
Date Deposited: 12 Feb 2007 15:36
Date: 2007
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Neutronenphysik, Radiographie, Tomographie
Uncontrolled Keywords: neutron physics , imaging
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