Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8752
Main Title: Wavelength-selective neutron imaging for materials science
Translated Title: Wellenlängenselektive Neutronenbildgebung für die Materialwissenschaft
Author(s): Al-Falahat, Ala'a
Advisor(s): Banhart, John
Referee(s): Banhart, John
Treimer, Wolfgang
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Neutron imaging, specifically radiography and tomography, is nowadays widely used technique for non-destructive investigations of materials and is commonly utilized for various applications in the field of engineering science and technology. The neutron imaging experiments presented in this work were conducted at the neutron imaging facility CONRAD-2 and at the ESS test beamline instrument V20 at the neutron source BER-II. A virtual model of the instrument is used to analyse the performance of instrumentation, to optimize the existing instrument components and to compare the results of real experiments with Monte-Carlo ray-tracing simulations. Experimental data of a double-crystal monochromator that is widely used at steady state neutron sources is investigated and compared to neutron ray tracing simulations. The influence of crystal mosaicity on neutron flux and beam size are reported for the utilized setup and the resulting wavelength gradients along one direction. Moreover, a novel neutron radiographic technique for Bragg-edge imaging experiments utilizing the wavelength gradient was developed. Furthermore, a technique to enhance the wavelength resolution of a monochromatic neutron beam at the CONRAD-2 instrument is applied based on a deconvolution algorithm using a Fourier self-deconvolution method. This method depends only on the narrowing of the spectrum band and can be performed by selecting the optimal value of the full bandwidth at half-maximum (FWHM) parameter, which corresponds to the resolution of the instrument that acquired the spectrum. In order to investigate the potential advantage of the deconvolution technique Bragg-edge transmission spectra of different steel samples were recorded by the time-of-flight (TOF) technique at the ESS test beamline which provides much better resolution (below 1% ΔE/E) than the double-crystal monochromator (approximately 2.5% ΔE/E). This technique is very useful for microstructural analyses based on Bragg-edge spectroscopy. In order to quantify Bragg-edge spectra of samples under in-situ heat treatment, the transmission spectrum of a martensitic steel was determined by experiments at different temperatures ranging from 21 °C to 800 °C. The evaluation of the spectra proved that the height of the Bragg edge changes with the Debye-Waller factor. The diffracted intensity decreases with increasing temperatures. Additionally, an incipient phase change reduces the volume fraction of the martensitic phase. In neutron imaging experiments, backlight scattering or back illumination into the detection system can significantly affect the quantification of attenuation coefficients and can lead to severe errors and image artifacts. Therefore, correction of neutron backlighting is desirable. In this dissertation, the backlighting effects in neutron imaging experiments at the CONRAD-2 instrument were investigated by varying the illuminated detector area and the magnitude of the attenuation. Finally, a backlighting correction procedure is suggested.
Neutronen-Bildgebung, insbesondere Radiographie und Tomographie, ist mittlerweile eine fest etablierte Methode für zerstörungsfreie Materialuntersuchungen mit einem großen Spektrum verschiedenster Anwendungen in ingenieurwissenschaftlichen und technologischen Bereichen. Die in dieser Arbeit gezeigten Messungen wurden am Neutronen-Imaging-Instrument CONRAD-2/V7 sowie an der ESS Testbeamline V20 am Forschungsreaktor BER II durchgeführt. Ein virtuelles Modell der Beamlines wurde erstellt und genutzt um die Leistungsfähigkeit der Instrumentierung zu analysieren, die vorhandenen Komponenten zu optimieren und reale Messergebnisse mit Monte-Carlo Ray-Tracing Simulationen zu vergleichen. Experimentelle Daten eines Doppelkristall-Monochromators, der üblicherweise an kontinuierlichen Neutronenquellen eingesetzt wird, wurden untersucht und mit entsprechenden Ray-Tracing Simulationen verglichen. Der Einfluss der Kristallmosaizität auf den Neutronenfluss und auf die Strahlgröße im genutzten Setup wird dargelegt und der resultierende Wellenlängengradient wurde bestimmt. Darüber hinaus wurde eine neuartige Methode entwickelt neutronenradiographisch diesen Wellenlängengradienten auszunutzen, um Bragg-Kanten-Experimente durchzuführen. Auf der anderen Seite wurde mittels eines Entfaltungsalgorithmus im Fourierraum die Wellenlängenauflösung der Messungen mit monochromatischem Neutronenstrahl am CONRAD-2 Instrument erhöht. Diese Auswertemethode basiert auf einer Fitting-Prozedur, die die spektrale Auflösung des Instruments berücksichtigt. Um die möglichen Vorteile dieser Entfaltungstechnik zu untersuchen, wurden Transmissionsspektren von Bragg-Kanten mittels Flugzeitspektroskopie an der ESS-Testbeamline (1% ΔE/E) sowie mittels Doppelkristall-Monochromator am CONRAD-2 (2.5% ΔE/E) aufgenommen und verglichen. Diese Technik ist sehr nützlich für Mikrostrukturanalysen, die auf Bragg-Kanten-Spektroskopie basieren. Um die Spektren der Bragg-Kanten während einer Temperaturbehandlung quantitativ zu studieren wurden Transmissionsspektren von martensitischem Stahl bei Temperaturen zwischen 21 und 800°C aufgenommen.Die Auswertung der Spektren ergab, dass sich die Höhe der Bragg-Kanten entsprechend dem Debye-Waller Faktor ändert. Die gestreute Intensität nimmt mit steigender Temperatur ab. Zusätzlich reduziert eine einsetzende Phasenumwandlung den Volumenanteil der martensitischen Phase. In der Neutronen-Bildgebung beeinflussen Hinterleuchtungseffekte im optischen Detektorsystem mitunter ganz erheblich die ermittelten Transmissionswerte, was zu größeren Messfehlern in den errechneten Schwächungskoeffizienten und zu Bildartefakten führen kann. Daher ist eine Korrektur dieses Hinterleuchtens wünschenswert. In dieser Dissertation wurden diese Effekte mittels Experimenten am CONRAD-2 Instrument durch Variation der abgedunkelten Detektorfläche sowie Variation der Stärke der Abdunkelung untersucht, und ein Korrekturprozedur vorgeschlagen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9711
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8752
Exam Date: 3-Aug-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 6-Sep-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): neutron imaging
energy-selective neutron radiography
A Monte Carlo simulation
Neutronenbildgebung
energieselektive Neutronenradiographie
Monte-Carlo-Simulation
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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