Speciális fizikai módszerek kidolgozása és alkalmazása interdiszciplináris kutatási problémákra = Development and application of special physical methods for interdisciplinary research problems

A KFKI RMKI 5 MV-os Van de Graff gyorsítójánál újra felépítettük, működésbe hoztuk és több ponton továbbfejlesztettük a Hamburg proton mikroszondát, lényegében elérve a korábbi térbeli felbontást (1.2 x 2.4 micro m2 nyalábméret, 500 pA proton áram), de a hamburgi 2 MeV proton energia helyett a nagyobb hatékonyságot biztosító 2.5 MeV proton energián működtetve is. Első alkalmazásokként előzetes mikroPIXE méréseket végeztünk savas esőnek kitett beton korróziós profiljának, valamint éves növekményt mutató hal hallócsont (otolit) metszetek elemeloszlásának meghatározására. Sikeresen adaptáltuk a mikroszondára a korábban milli-nyalábra kidolgozott PIXE-PAGE módszerünket, melytől további fontos eredményeket várunk a fémtartalmú fehérjemolekulák kutatásában. A kulturális örökség megóvását elősegítendő hordozható radioizotóp gerjesztésű XRF berendezést építettünk, mellyel a műtárgyak roncsolásmentes analízise akár in situ is elvégezhető. Módszereket dolgoztunk ki a festékrétegekben kis emnnyiségben jelenlévő Ti kimutatására, melynek fontosságá az adja meg,hogy a titánfehér előfordulása fontos érv vitatott festmények eredetiségének eldöntésében. Hatékony számítási módszert dolgoztunk ki a vastag XRF és PIXE mintákban fellépő belső gerjesztés hatásának figyelembevételére. Hiánypótló méresekkel abszolút gamma sugárzás hozamokat határoztunk meg 10 és 15 MeV energiájú alfa részecskékkel bombázva vastag Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu és Zn céltárgyakat. | The gifted former Hamburg proton microprobe was successfully reinstalled at the 5 MV accelerator of the KFKI RMKI and several improvements were also made. Practically the same spatial resolution was achieved (1.2 x 2.4 micro m2 beam spot, 500 pA proton current), as they did in Hamburg, but using more effective 2.5 MeV energy protons. As first application, microPIXE elemental mappings were carried out to determine the corrosion profile of concrete pieces exposed to acidic rains. Fish otolith sections revealing annual growth was also mapped. Our PIXE-PAGE method developed by using millimeter sized proton beams was succesfully adapted to the microprobe. Further important results in the study metalloproteins are expected from this adaptation. In connection with the preservation of the cultural heritage a small portable XRF spectrometer of radioisotope excitation was built. This instrument is well suited to perform non-destructive in situ analysis of art and archaeological objects Methods were also developed for XRF detection of small amounts of Ti in paint layers. The importance of this effort is given by the fact that the presence of titanium white in a debated paintig could provide important arguments against its originality. A fast computing method was developed to take into account the internal excitation effect in the quantitative evaluation of thick sample XRF and PIXE measurements. Alpha particle induced thick target gamma yields of potential analytical use were measured for Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu és Zn targets. At the 10 and 15 MeV alpha energies we used no reilable data were available in the literature

Korrektur von Nichtlinearitäten des Abbildungssystems bei der Computertomographie von heterogenen Objekten

In computed tomography (CT) several physical effects reduce the quality of reconstructed CT images. Beside scatter, one major deterministic artifact is the beam hardening effect which arises due to the polychromatic character of the used X-ray spectrum and causes cupping and streak artifacts. In this thesis a method is proposed which allows a significant reduction of beam hardening and scatter artifacts in computed tomography images of multi-component objects. The approach is based on the assumption that the relation between material thickness and X-ray attenuation can be expressed by a global function. This function contains the information about all global nonlinearities of the imaging system. Neither is it necessary to have any estimate or knowledge of the incident X-ray spectrum nor material characteristics like mass density or absorption coefficients. The method works without any reference measurements and uses the original projection images. Several simulated and real measured specimens of miscellaneous material combinations were tested and corrected to show the efficiency of the proposed method.In der Computertomographie (CT) treten zahlreiche Effekte in Erscheinung, die die Bildqualität beeinträchtigen. Neben Streustrahlung ist dies in erster Linie Strahlaufhärtung, die aufgrund der polychromatischen Eigenschaft der Röntgenstrahlung zu Artefakten wie z. B. Cupping oder dunklen Streifen führt. Diese Artefakte erschweren oder verhindern die Auswertung der erzeugten Bilder hinsichtlich Fehlerfindung oder Bestimmung dimensioneller Größen. In dieser Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem es möglich ist, die Effekte der Strahlaufhärtung und Streustrahlung zu mindern, sodass eine Auswertung computertomographischer Bilder von heterogenen, also mehrmaterialigen Prüfobjekten, verbessert wird. Es wird gezeigt, dass der Zusammenhang zwischen der Materialdicke der unterschiedlichen Materialien und der totalen Abschwächung des Röntgenstrahls über ein Funktional ausgedrückt werden kann. Grundlage dafür ist die Annahme, dass die Reihenfolge in der die verschiedenen Materialien durchstrahlt werden, vernachlässigt werden kann. In dem bestimmten Funktional werden alle globalen Nichtlinearitäten des Abbildungssystems zusammengefasst, was zwar eine explizite Berücksichtigung von lokalen Effekten wie z. B. Objektstreustrahlung vernachlässigt, aber dennoch eine effektive Reduktion der Artefaktbildung ermöglicht. Zusatzinformationen über das bildgebende System wie z. B. eine Abschätzung des Quellenspektrums oder der Effizienz des Röntgendetektors sind genauso wenig erforderlich, wie die Kenntnis über die im Prüfobjekt vorkommenden Materialien und deren Eigenschaften. Mit Hilfe mehrerer simulierter und real gemessener estkörper wird die Leistungsfähigkeit des Verfahrens getestet und anhand definierter Bildgütekriterien bewertet

Energiedispersive Röntgenspektroskopie im Rasterelektronenmikroskop eines feinlaminierten Sedimentgesteins aus der Antarktis

Es werden drei Proben, aus der Bohrung AND-2A in der Antarktis aus dem ANDRILL-Projekt, mit dem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Von ausgewählten Teilen der laminierten Flächen werden zuerst Bilder im Rasterelektronenmikroskop erstellt. Anschließend werden mit einem Energiedispersiven- Röntgendetektor die enthaltenen Elemente qualitativ und quantitativ bestimmt und Elementverteilungen erstellt. Eine Elementphasen-Berechnung soll schließlich Hinweise über die enthaltenen Gesteine geben

Erste Untersuchungen zum CASCADE-Röntgendetektor und Messung zur Neutron-Spiegelneutron-Oszillation

Der Nachweis von Röntgenstrahlen ist sowohl in der Grundlagenforschung, als auch in der medizinischen Diagnostik wichtig. Im ersten Teil dieser Arbeit wird untersucht, ob sich das CASCADE-Detektor-Prinzip, das in zunächst zum Nachweis von Neutronen eingeführt wurde, auf den von Röntgenstrahlung übertragen läßt. Dieses modulare Detektorkonzept verbindet einen festen Neutronen- bzw. Röntgenkonverter mit den Vorteilen eines zählenden Gasdetektors. Hierbei besteht die Möglichkeit Effizienz, Dynamik und Ortsauflösung unabhängig voneinander zu optimieren. Zunächst ist es notwendig ein geeignetes Konvertermaterial zu finden, das eine möglichst hohe Nachweiseffizienz ermöglicht. Dazu wurde ein mathematisches Modell des gesamten Detektorsystems entwickelt, welches die Effizienz für verschiedenste Materialien berechnet. Unter Berücksichtigung der technischen Realisierung zeigten sich Gold und Gadolinium als geeignete Konvertermaterialien. Auf diesen theoretischen Betrachtungen basierend wurde ein Prototyp eines CASCADE-Röntgendetektors aufgebaut, mit dem Messungen zur Effizienzbestimmung durchgeführt wurden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde ein CASCADE-Neutronendetektor in einer ersten Messung zur Neutron-Spiegelneutron-Oszillationszeit eingesetzt. Lee und Yang schlugen 1956 die Existenz von Spiegelmaterie vor, um trotz Paritätsverletzung zu einer Symmetrie in der Beschreibung des Universums zu gelangen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte erstmalig eine untere Grenze der Oszillationszeit mit Neutronen bestimmt werden