RAMSES-4-CE
04/2020 – 03/2024
Raman-Absorptions- und Emissionsspektroskopie in einem integrierten Sensor für die Kreislaufwirtschaft
Als Fortsetzung des sehr erfolgreichen InSPECtor-Projekts entwickelt Freiberg Instruments in diesem Projekt einen Raman-Sensor. Gemeinsam mit den Partnern Helmholtz-Zentrum Rossendorf (HZDR), TU Bergakademie Freiberg und dem finnischen geologischen Dienst GTK wird der Sensor in ein spektroskopiebasiertes Multisensorsystem für die Recycling- und Rückgewinnungsindustrie integriert. Wir konzentrieren uns auf (1) die Entwicklung einer Raman-Sensoreinheit, (2) die Integration in das bereits entwickelte LiF-HSI-Sensorsystem (inSPECtor) und (3) fortschrittliche Datenverarbeitung einschließlich Multi-Source-Datenfusion und maschinellem Lernen.
Die zentrale Innovation trägt zur Digitalisierung von Recyclingströmen bei. Sie ermöglicht die Identifizierung kritischer Rohstoffe sowie der in Kunststoffen gespeicherten Energie als wichtige Eingaben für Simulationen von Energie- und Stoffkreisläufen, die für den Übergang zu einer Kreislaufwirtschaft erforderlich sind.
Automatisierte Lithium-Fluorid-OSL-Niedrig-Dosis-Messung (ALFON)
01.12.2020 – 30.11.2021
Der zunehmende Einsatz ionisierender Strahlung in der Medizin (CT/Röntgen; Behandlung) und in anderen Bereichen der modernen Gesellschaft (Strahlungsanlagen, Kraftwerke) erfordert die aktive und passive Messung von Strahlung. Hinzu kommen immer strengere Vorschriften zur Überwachung der Strahlenexposition und der Strahlungswerte. Passive Dosimeter sind die am weitesten verbreitete und kostengünstigste Methode, um die Exposition einer großen Anzahl von Menschen gegenüber ionisierender Strahlung zu überwachen. Die weit verbreitete Technik der Filmdosimetrie wurde jedoch durch die thermisch stimulierte Lumineszenz (TL) ersetzt, die wiederum in der Personendosimetrie ausläuft und langsam durch die optisch stimulierte Lumineszenz (OSL) abgelöst wird. Neue Techniken erfordern die Entwicklung neuer automatisierter Messgeräte, z. B. myOSLraser. Insbesondere Dosimetriedienste, die täglich Tausende von Dosimetern bearbeiten, sehen sich mit hohen Kosten für solche Umstellungen auf neue Techniken konfrontiert, die erforderlich sind, um mit der Gesetzgebung und den Entwicklungen Schritt zu halten. Dem wird im ALFON-Projekt durch die Entwicklung eines 4-Element-OSL-Dosimeters Rechnung getragen, das die Form der weit verbreiteten 4-Element-TLDs von Panasonic hat und somit die weitere Nutzung von Peripheriegeräten für die Panasonic-TL-Dosimetrie mit UD-Lesegeräten in bestehenden Einrichtungen ermöglicht.
Die künstlichen Leuchtstoffe BeO und LiF liefern Strahlungsreaktionen, die denen von menschlichem Gewebe nahekommen, und sind daher das Material der Wahl in der Personendosimetrie. Das Projekt zielt darauf ab, Dosimeter und Messgeräte bereitzustellen, die die Anforderungen der EN/IEC 62387 übertreffen, insbesondere hinsichtlich der Erfassung sehr niedriger Strahlungsdosen. Dies wird die erste kommerzielle Nutzung des neuen OSL-Materials auf LiF-Basis (Sadel et al., 2019) sein, dessen vorteilhafte Eigenschaften in Verbindung mit den Möglichkeiten von 4 Messpositionen in einem einzigen Dosimeter viele Möglichkeiten jenseits der Messung von Hp0.07 und Hp10 eröffnen.
Neben der Entwicklung optimierter Messbedingungen für das neue Material werden die Kapazitäten für die OSL-Messung vom my OSLraser 2-Element-BeO-Lesegerät (200 Dosimeter) auf Automatisierungslösungen für 500 und 4000 Dosimeter erweitert. Dies erfordert 3-Achsen-Zuführmechanismen und eine parallele Linie für Dosimeter, die nicht den Benutzer- oder behördlichen Spezifikationen entsprechen und zur Inspektion oder Nachmessung aussortiert werden müssen. Die Möglichkeit, dasselbe Dosimeter erneut zu messen, ist eine Besonderheit der OSL-Dosimetrie und in der TL-Dosimetrie nicht möglich, wodurch die gesetzlichen Anforderungen in einigen Ländern erfüllt werden.
Der 2-Element-OSL-Leser „myOSLraser“ für BeO dient als Grundlage für die Entwicklung der größeren 4-Element-Anlage.
Referenz:
Sądel M, Bilski P & Kłosowski M (2019) Optisch stimulierte Lumineszenz von LiF:Mg,Cu,P mit unterschiedlichen Dotierungskonzentrationen. Radiation Measurements 123, 58-62.
SISor - Sensor für intelligentes Sortieren
01.05.2018–30.04.2020
Die Trennung von Abfällen, insbesondere von Elektro- und Elektronikgeräten (WEEE), ist ein Thema, das weltweit zunehmend an Bedeutung gewinnt. Aufgrund der sinkenden Verfügbarkeit und steigenden Produktionskosten für Rohstoffe wie Seltenerdmetalle (REEs) und Edelmetalle hat die Gewinnung von Sekundärrohstoffen aus Abfällen erheblich an Bedeutung gewonnen. Im Jahr 2016 fielen weltweit 44,4 Millionen Tonnen Elektroschrott an, eine Menge, die in den nächsten Jahrzehnten voraussichtlich stetig zunehmen wird.
Im Rahmen des SISor-Projekts (Sensors for Intelligent Sorting) ist das Kernziel die Entwicklung eines integrierten Sensorsystems zur automatisierten Erkennung von Rohstoffen im Elektro- und Elektronik-Altgerätemüll. Eine verbesserte Erkennung wertvoller Materialien wie Au, Cu und Seltenerdelemente würde den Sortierprozess des Elektroschrotts stärken und den Trennerfolg enorm steigern. Das Konsortium aus dem Helmholtz-Institut HZDR-HIF, dem kanadischen Unternehmen Telops Inc. und Freiberg Instruments wird ein modulares System entwickeln, das Sensoren auf Basis der hyperspektralen Mittelwellen-Infrarot-Absorptionsspektroskopie (HS-MWIR) und der laserinduzierten Fluoreszenzemissionsspektroskopie (LIF) umfasst. Beide Techniken sind hochempfindlich, nicht-invasiv und lassen sich für die schnelle Bildgebung optimieren. So könnten größere Ströme von Recyclingmaterialien in kürzerer Zeit genauer verarbeitet werden.
Dieses Projekt wird vom BMWi gefördert.
Entwicklung von Messgeräten für die OSL-Dosimetrie mit BeO
15.03.2016 – 14.09.2018
Personal, das in Umgebungen mit potenzieller Exposition gegenüber künstlicher oder erhöhter Strahlung arbeitet, wie z. B. in Krankenhäusern mit CT-/Röntgengeräten, Kernkraftwerken, Strahleneinrichtungen usw., muss hinsichtlich seiner Strahlenexposition überwacht werden. Die Verfügbarkeit von Filmmaterial, das eines der wichtigsten Materialien in der persönlichen Dosimetrie darstellt, ist langfristig nicht gewährleistet. Es wurde nach anderen Materialien als möglichen Ersatz gesucht. Die Abhängigkeit von gesintertem BeO von der Strahlungsenergie ist ähnlich wie bei Gewebe. Aufgrund dieser günstigen Eigenschaft ist BeO einer der bevorzugten Leuchtstoffe in der Personendosimetrie. In Kombination mit der Technik der optisch stimulierten Lumineszenz (OSL) zur Auslesung wird davon ausgegangen, dass die BeO-OSL-Dosimetrie die Filmdosimetrie und zumindest teilweise auch die Thermolumineszenz-Dosimetrie (TL) ablösen wird.
Das Projekt zielt auf die Entwicklung von OSL-Geräten (EN/IEC 62387) ab, um ein neues 2-Element-BeO-OSL-Dosimeter (Hp07 und Hp10) effizient auszulesen. Das modulare Gerät ermöglicht das manuelle Auslesen eines einzelnen BeO-Dosimeters. Ein Automatisierungsaufsatz ermöglicht die Messung von Chargen mit 20 Dosimetern, die in Magazinen gelagert sind. Insgesamt befinden sich 10 solcher Magazine in einem Rad, das per Software für die Dosimetermessung gemäß den Definitionen des Benutzers gesteuert wird. In der OSL-Dosimetrie reicht es für die Dosisbestimmung aus, einen Teil des Signals zu messen, was ein erneutes Auslesen ermöglicht. Dies erfordert in der Regel eine Nullstellung, bevor ein Dosimeter wieder verwendet werden kann. Anstelle eines separaten Geräts wird die Nullstellung innerhalb des OSL-Lesegeräts durchgeführt, was den Prozess beschleunigt. Zu Kalibrierungszwecken wird eine spezielle Beta-Quelle zur Bestrahlung der Dosimeter konstruiert. Einige Anwendungen erfordern eine sofortige Analyse vor Ort (z. B. in einem Phantom) und eine Dosisbestimmung. Dies wird durch ein BeO-OSL-Gerät mit einem einzigen Element erreicht, das handgeführt ist und unabhängig mit Batterien betrieben werden kann, wodurch eine sofortige Dosisbewertung ermöglicht wird.
Referenz
Bos AJJ (2001) Hochempfindliche Thermolumineszenzdosimetrie. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 184, 3–28.
READ
01.06.2016 – 31.05.2019
READ – Seltenerd-Keramik-Leuchtstoffe für die optische 3D-Dosimetrie
Die Dosimetrie für Strahlenbehandlungsanwendungen, wie sie z. B. bei Sterilisationsverfahren für medizinische Geräte zum Einsatz kommt, ist aufgrund der Anforderungen an die Qualitätssicherung und die Einhaltung der erforderlichen Normen (z. B. ISO 11137, ISO/ASTM 51204, 51608, 51649, …) oft mühsam. Zudem ist sie zeitaufwendig. Als industrielle Anwendung ist es wünschenswert, bestrahlte Produkte so schnell wie möglich freizugeben.
Das Projekt zielt auf die Entwicklung eines handgeführten Messgeräts ab, das sofortige Dosisinformationen für eine benutzerdefinierte Anzahl von Dosimetern liefert, die am Produkt bzw. an der Produktpalette angebracht sind, was eine sofortige Freigabe ermöglicht, sofern die festgelegten Anforderungen erfüllt sind. Zwar können auf diese Weise 3D-Dosisinformationen basierend auf den ausgewählten Messpunkten bereitgestellt werden, doch sind bei Produktobjekten mit sehr komplexen Geometrien manchmal weitere Details erforderlich, da es unerlässlich ist, die Dosis an Stellen zu überprüfen, an denen keine Dosimeter angebracht werden können. Zu diesem Zweck wird ein Dosimetermaterial entwickelt, das auf Oberflächen aufgesprüht und mit einem 3D-Dosis-Scanner gemessen werden kann.
Die dosimetrischen Eigenschaften von dotiertem NaYF4 werden genutzt, um Dosimeter als Etiketten und als Sprühmaterial zu entwickeln. Diese keramischen Leuchtstoffe weisen einen Upconversion-Effekt auf, d. h. die Umwandlung von langwelligem (infrarotem oder nahinfrarotem) Licht in kurzwellige Strahlung (Lumineszenz) mit höherer Photonenenergie. Hier wurde eine Abhängigkeit der Lumineszenzlebensdauer von der Dosis nachgewiesen (Abbildung 1) (Härtling et al., 2012; Reitzig et al., 2013; 2016). Dies ermöglicht die Nutzung eines breiten Dosisbereichs von wenigen kGy bis 150 kGy (Abbildung 2). Seine hohe Stabilität unter Umgebungsbedingungen bestätigt die Eignung des Materials für die industrielle Dosimetrie, bei der die Dosisinformationen gespeichert werden und die Auslesung berührungslos erfolgt. Diese Eigenschaften machen das Material zu einem vielversprechenden Kandidaten für die optische Dosimetrie unterhalb von 5 kGy, einem Dosisbereich, der bisher nur mit komplexeren nicht-optischen Systemen abgedeckt wurde.
Veröffentlichung
Christiane Schuster, Florent Kuntz, Alain Strasser, Thomas Härtling, Kay Dornich, Daniel Richter
3D-Relativdosenmessung mit einer μm-dünnen dosimetrischen Schicht, Radiation Physics and Chemistry, 2020, 109238, ISSN 0969-806X
Schlagwörter:
Hochdosendosimetrie, optische Dosimetrie, Gammastrahlung, Elektronenstrahlbestrahlung, Röntgenstrahlung, keramische Leuchtstoffe, Lumineszenzabklingzeit, industrielle Strahlenbehandlung.
Fig 1: Luminescence lifetime reduction after a 300 kGy electron irradiation (from Reitzig et al., 2016).
Fig 2: Dose dependency of the luminescence lifetime of NaYF4 (from Reitzig et al., 2016).
Referenzen
Härtling, T., Reitzig, M., Mayer, A., Wetzel, C., Röder, O., Schreiber, J. und Opitz, J. (2012). Zerstörungsfreie Prüfung der Elektronenstrahlsterilisation mittels eines optisch aktiven Markermaterials. In „Optical Components and Materials IX“, S. 825713–825713–6. Proceedings SPIE 8257.
Reitzig, M., Goodband Rachel, J., Schuster, C. und Härtling, T. (2016). Optische Elektronenstrahl-Dosimetrie mit keramischen Leuchtstoffen als passives Sensormaterial für breite Dosisbereiche. tm – Technisches Messen 83, 171–179.
Reitzig, M., Härtling, T., Winkler, M., Powers, P., Derenko, S., Toro, C., Röder, O. und Opitz, J. (2013). Zeitaufgelöste Lumineszenzmessungen an Upconversion-Leuchtstoffen zur Überwachung der Elektronenstrahlsterilisation. In „Smart Sensor Phenomena, Technology, Networks, and Systems Integration.“ (K. J. Peters, W. Ecke und T. E. Matikas, Hrsg.), S. 86930R-86930R-7.