Röntgencomputertomographische Untersuchungen zum Einfluß von salzreichen Lösungen und Trockenphasen auf die Aggregat- und Makroporenstruktur verschiedener Bentonite

Inhaltsverzeichnis

1.Einleitung

2. Bentonite
2.1 Allgemeines
2.2 Bentonite als Abdichtungsmaterial
2.3 Smectite
2.3.1 Genese von Bentoniten
2.3.2 Struktur der Smectite
2.3.3 Entstehung der Schichtladung
2.3.4 Morphologie der Smectite
2.4 Quellverhalten der Smectite
2.4.1 Aufnahme freien Wassers in Mikroporen
2.4.2 Innerkristalline Quellung
2.4.3 Osmotische Quellung
2.5 Sodaaktivierung von Bentoniten

3.Röntgencomputertomographie
3.1 Allgemeines
3.2 Spektrum der Röntgenstrahlung
3.2.1 Bremsstrahlung
3.2.2 Charakteristische Strahlung
3.2.3 Wärmestrahlung
3.3 Durchstrahlung von Materie
3.3.1 Adsorption
3.3.2 Streuung
3.4 Röntgencomputertomographie
3.4.1 Verfahrensweise
3.4.2 Röntgen-Computertomograph des Lehrstuhls für Ingenieur- und Hydrogeologie
3.4.3 Entstehungsschritte eines Tomogramms
3.5 Röntgencomputertomographie in den Geowissenschaften
3.5.1 Ermittlung der Dichte und des Wassergehalts von Böden
3.5.2 Beschreibung der Fluidbewegung in Böden
3.5.3 Erfassung von Porenräumen und –strukturen in Böden
3.5.4 Erfassung von Struktur und Textur magmatischer Gesteine
3.5.5 Untersuchung interner Versagensfälle in Böden
3.5.6 Erfassung von Diffusionskoeffizienten schwerer Ionen in wassergesättigten porösen Medien
3.5.7 Untersuchungen zur Porosität kristalliner Gesteine
3.5.8 Untersuchungen am Lehrstuhl für Ingenieur- und Hydrogeologie der RWTH Aachen

4. Konstruktion einer CT- Meßzelle zur Untersuchungvon Volumenänderungen
4.1 Handhabung der Probenzelle
4.1.1 Kontrolle der Probenzelle
4.1.2 Probeneinbau
4.1.3 Trockenscan
4.1.4 Aufsättigung
4.1.5 Austrocknung
4.1.6 Wiederaufsättigung

5. Versuchsablauf
5.1 Probenmaterial
5.2 Untersuchungsablauf
5.2.1 Serie 1
5.2.2 Serie 2
5.2.3 Serie 3

6. Darstellung und Diskussion der Ergebnisse
6.1 Aufsättigung mit demineralisiertem Wasser
6.1.1 Wasseraufnahme
6.1.2 Quelldehnung
6.1.3 CT-Untersuchungen
6.2 Austrocknung
6.2.1 Wasserabgabe
6.2.2 Volumenverlust
6.2.3 CT-Untersuchungen
6.3 Wiederaufsättigung mit demineralisiertem Wasser
6.3.1 Wasseraufnahme
6.3.2 Quelldehnung
6.3.3 CT-Untersuchungen
6.4 Wiederaufsättigung mit 0,1 molarer CaCl2-Lösung
6.4.1 Wasseraufnahme
6.4.2 Quelldehnung
6.4.3 CT-Untersuchungen
6.5 Wiederaustrocknung
6.5.1 Wasserabgabe
6.5.2 Volumenverlust
6.5.3 CT-Untersuchungen
6.6 Langzeitaufsättigung
6.6.1 Wasseraufnahme
6.6.2 Quelldehnung
6.6.3 CT-Untersuchungen

7. Zusammenfassende Diskussion der Ergebnisse

8. LITERATURVERZEICHNIS

VERZEICHNIS DER ABBILDUNGEN

Abb. 1: Anwendungsmöglichkeiten von Bentoniten

Abb. 2: Räumliche Darstellung der Schichtstruktur der Dreischichtminerale

Abb. 3: Tetraeder- (a) und Oktaederschichten (b) in den Silikatschichten

Abb. 4: Einteilung der 2:1-Schichtsilikate und deren Schichtladung

Abb. 5: Zwischenschichtabstand von Smectiten bei innerkristalliner Quellung

Abb. 6: Modell der Ton-Wasser-Grenzfläche (nach: Güven, 1992)

Abb. 7: Wirksame Kräfte nach DLVO-Theorie

Abb. 8: Kompression der diffusen Ionenschichten bei Salzzusatz

Abb. 9: Das elektromagnetische Spektrum (Hering et al., 1992)

Abb. 10: Schema einer Röntgenröhre

Abb. 11: Spektrum der Röntgenstrahlung (Hering et al., 1992)

Abb. 12 a: Abhängigkeit der Absorptions- und Streuungeffekte von Photonenenergie und Ordnungszahl (FH Aachen, 1995)

Abb. 12 b: Schematische Darstellung des Photo-, Compton- und Paarbildungseffektes (FH Aachen, 1995)

Abb. 13: Definition des Schwächungskoeffizienten (Zonnefeld)

Abb. 14 a: Erster Scan und resultierendes Schwächungsprofil

Abb. 14 b: Zweiter, um 90o versetzter Scan und resultierendes Schwächungsprofil

Abb. 14 c: Aufsummierung der Einzelprofile und resultierendes Gesamtprofil

Abb. 15: Prinzip der Röntgencomputertomographie (Mende, 1996)

Abb. 16: Komponenten der Anlage (Ibs von Seht, 1996)

Abb. 17: Komponenten des eigentlichen Tomographen (Ibs von Seht, 1996)

Abb. 18: Komplette Anordnung der Anlage

Abb. 19: Die einzelnen Komponenten im Vollschutzgehäuse

Abb. 20: Aufbau des Detektors im Tomographen des LIH (IBEX- Radiographiesysteme)

Abb. 21: Beispiel eines Sinogramms

Abb. 22: Entstehung eines Sinogramms: Durchstrahlung einer Probe in fünf verschiedenen Winkelstellungen und graphische Darstellung der sinusförmigen Spur eines Fremdkörpers

Abb. 23: Objekt-, Speicher- und Bildmatrix (nach Schulz, 1984)

Abb. 24: Prinzip der computertomographischen Rekonstruktion (Hering et al., 1992)

Abb. 25: Rekonstruktion mit einem, zwei, vier und 48 Profilen (Ridder, 1987)

Abb. 26: Rekonstruktion mit einem, zwei, vier und 48 gefalteten Profilen (Ridder, 1987)

Abb. 27: Grid-File als Darstellung einer Probenschicht mit Zellrand und Umgebung

Abb. 28: a) Blank-File b) Blank-File mit markiertem Flächenanteil „Luft“

Abb. 29: Dreidimensionales Schnittbild-Tomogramm a) ohne Interpolation b) mit Interpolation

Abb. 30: Tomogramm eines Granites a) bei einer Röhrenspannung von 100kV b) bei einer Röhren-spannung von 200kV (Carlson et al., 1999)

Abb. 31: Tomogramm eines diamantführenden Eklogits a) bei einer Röhrenspannung von 200kV mit deutlicher Abbildungsverdunkelung im Zentrum der Probe b) bei einer Röhrenspannung von 100kV mit verbessertem Kontrast aber weiterer zentraler Abbildungsverdunkelung c) bei einer Röhrenspannung von 100kV und einer „wedge-technique“ genannten Filterungstechnik mit hoher Abbildungsgenauigkeit und guter Abgrenzbarkeit der Diamanten (Carlson et al., 1999)

Abb. 32 a: Tomogramme eines horizontalen Belastungstests an einem Sand-Silikonpulver-Sand-Testkörper in verschiedenen Kompressions- stadien (Shi et al., 1999)

Abb. 32 b: I- -Diffusion in einer 3,4%igen Saponit-Suspension und Darstellung der gemessenen Abschwächungswerte in Abhängigkeit von Zeit und Abstand zur Oberfläche (Nakashima, 2000)

Abb. 33: Schemazeichnung der Probenzelle a) Einzelkomponenten b) zusammengesetzt (nicht maßstabsgetreu)

Abb. 34 a: Foto der Probenzelle links:fertig zusammengebaut; Mitte: mit entferntem Probenrohr; rechts: mit entferntem Probenrohr und Gewichtsträger

Abb. 34 b: Komponenten der Probenzelle

Abb. 35: Vorrichtung zur Erfassung der Quell- und Schrumpfvorgänge

Abb. 36: Foto der Probenzelle während der Höhenmessung

Abb. 37: Foto der Probenzelle a) während der Durchströmung b) mit abgeklemmtem Vorratsbehälter

Abb. 38: Foto der eingespannten Zelle, um eine Vertikalbewegung des Gewichtsträgers zu verhindern

Abb. 39: Foto der Zelle mit entferntem Stempelkern

Abb. 40: Foto der Probenserien im Trockenschrank

Abb. 41: Schemazeichnung der Probenzelle während Durchströmung und Austrocknung

Abb. 42: Röntgendiffraktogramm Na-Bentonit

Abb. 43: Röntgendiffraktogramm Ca-Bentonit

Abb. 44: Röntgendiffraktogramm sodaaktivierter Bentonit

Abb. 45: Verlaufsplan der Untersuchungen und Zuweisung der 18 Probenzellen

Abb. 46: Wasseraufnahme der drei Bentonite bei Aufsättigung (Mittelwerte der 18 Probenzellen)

Abb. 47: Axiale Quelldehnung der drei Bentonite bei Aufsättigung (Mittelwerte aller 18 Probenzellen)

Abb. 48: Vergleich der Tomogramm-Grauwerte ausgewählter Schichtebenen der drei Bentonite zu Beginn und zum Abschluß der Aufsättigungsphase

Abb. 49: Wasserabgabe der drei Bentonite bei Austrocknung (Mittelwerte der zwölf Probenzellen der Serien 1 und 2)

Abb. 50: Vergleich des radialen und axialen Volumenverlustes der drei Bentonite bei Austrocknung (Mittelwerte der zwölf Probenzellen der Serien 1 und 2)

Abb. 51: Gesamtvolumenverlust der drei Bentonite bei Austrocknung (Mittelwerte der zwölf Probenzellen der Serien 1 und 2)

Abb. 52: Unterschiedliche Rißbilder der drei Bentonite mit zunehmender Trocknungsdauer t

Abb. 53: Vergleich der Grauwerte der drei Bentonite zu Beginn der Aufsättigung und zum Ende der ersten Austrocknungsphase. Hellere Grauwerte belegen eine höhere Lagerungsdichte der Bentonite

Abb. 54: Wasseraufnahme der drei Bentonite bei Wiederaufsättigung mit demineralisiertem Wasser (Mittelwerte der sechs Probenzellen der Serie 1)

Abb. 55: Axiale Quelldehnung der drei Bentonite bei Wiederaufsättigung mit demineralisiertem Wasser (Mittelwerte der sechs Probenzellen der Serie 1)

Abb. 56: Tomogramme der drei Bentonite sofort, 20 Minuten und 24 Stunden nach Beginn der Wiederaufsättigung mit Wasser

Abb. 57: Wasseraufnahme der drei Bentonite bei Wiederaufsättigung mit 0,1 molarer CaCl2-Lösung (Mittelwerte der sechs Probenzellen der Serie 2)

Abb. 58: Durchströmung der drei Bentonite bei Wiederaufsättigung mit 0,1 molarer CaCl2-Lösung (Mittelwerte der sechs Probenzellen der Serie 2)

Abb. 59: Durchlässigkeitsbeiwerte der drei Bentonite (i=30, Temperatur = 20°C) (Mittelwerte der sechs Probenzellen der Serie 2)

Abb. 60 a: Axiale Quelldehnung der drei Bentonite bei Wiederaufsättigung mit 0,1 molarer CaCl2-Lösung (Mittelwerte der sechs Probenzellen der Serie 2)

Abb. 60 b: Vergleich der maximalen Quelldehnung der drei Bentonite bei Wiederaufsättigung mit Wasser und 0,1 molarer CaCl2-Lösung

Abb. 61: Tomogramme der drei Bentonite bei Wiederaufsättigung mit 0,1 molarer CaCl2-Lösung

Abb. 62: Wasserabgabe der drei Bentonite bei Wiederaustrocknung (Mittelwerte der sechs Probenzellen der Serie 1)

Abb. 63: Gesamtvolumenverlust der drei Bentonite bei Wiederaustrocknung

Abb. 64: Vergleich der Strukturelemente der drei Bentonite während Austrocknung, Wiederaufsättigung und Wiederaustrocknung

Abb. 65: Wasseraufnahme der drei Bentonite bei Langzeitaufsättigung (Mittelwerte der sechs Probenzellen der Serie 3)

Abb. 66: Quelldehnung der drei Bentonite bei Langzeitaufsättigung (Mittelwerte der sechs Probenzellen der Serie 3)

Abb. 67: Zusammenstellung der Maximalwerte innerhalb der einzelnen Versuchsphasen

Abb. 68: Entstehung des Scherbruchgefüges beim sodaaktivierten Bentonit (Tomogramme der ersten drei Scans mit zunehmender Dauer von links nach rechts und zunehmender Probenhöhe von unten nach oben)

1.Einleitung

Durch ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften finden Bentonite sehr weitgefächerte Anwendungsgebiete. In der Gießereiindustrie werden große Mengen von Bentonit als Formsandbinder verbraucht, bei der Produktion von Tierfuttermitteln und im Bergbau werden sie zur Pelletierung verwendet und auch in der Nahrungsmittelindustrie kommen sie zur Klarung von Wein, Bier und Fruchtsäften zum Einsatz. Große Mengen von Bentonit gehen in die Herstellung von Heimtierstreu. Ein weiteres Anwendungsfeld liegt in der Geotechnik. Hier bieten sich Bentonitsuspensionen durch ihr thixotropes Fließverhalten als Stützflüssigkeit bei der Errichtung von Schlitz-, Dicht- und Schmalwänden, bei Hydroschildvortrieben oder auch als Bohrspülung zur Stützung der Bohrlochwand und Haltung des Bohrgutes an.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll aber besonderes Augenmerk auf die Verwendung von Bentoniten als Abdichtungsmaterial gelegt werden. Auf diesem Gebiet zeichnen sich Bentonite vor allem durch ihr hohes Quell- und Wasseraufnahmevermögen sowie ihre sehr niedrigen Durchlässigkeitsbeiwerte aus und bieten sich daher als Werkstoff zur Abdichtung von Deponien und Altlasten an. Hierbei wird Bentonit zum einen als Zuschlagsstoff zur Vergütung von Erdaushubmassen verwendet, wobei er sich in die freien Porenräume des Korngerüstes setzt und diese bei Wasserzutritt durch starkes Aufquellen effektiv verschließt, zum anderen wird er in sogenannten Bentonitmatten zwischen zwei Trägerfliese eingebaut und kann so vor Ort relativ problemlos als Substitut der mineralischen Komponente in Deponiebasis- oder Oberflächenabdichtung verlegt werden.

Da jedoch die sehr gute Dichtwirkung von Bentoniten auf ihrer großen Quellfähigkeit bei Wasserzutritt und der Bindung des Wassers im Zwischenschichtraum beruht, stellt sich die Frage, wie stark diese Dichtwirkung durch Volumenverluste bei Austrocknungsvorgängen beeinträchtigt wird und ob der sogenannte „Selbstheilungseffekt“, also das Wiederverschließen entstandener Risse durch erneute Quellung, tatsächlich eine schnelle und vollständige Wiederherstellung der Dichtwirkung gewährleisten kann.

Zur Untersuchung dieser Fragestellungen wurde in dieser Diplomarbeit erstmals die Technik der Röntgencomputertomographie angewandt. Dieses Verfahren ermöglicht im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden eine zerstörungsfreie Visualisierung der Veränderung des Makroporengefüges. Es ist also möglich, die dreidimensionale Struktur eines Probenkörpers zu erfassen, ohne dazu die äußeren Bedingungen (z. B. eine konstante Auflast) durch ein Öffnen des Probenbehälters verändern zu müssen. Durch eine neuentwickelte Meßzelle ist es zudem möglich, ein und dieselbe Probe während verschiedener Aufsättigungs- und Trocknungszyklen zu beobachten und die Veränderungen des Makroporengefüges in Abhängigkeit vom relativen Sättigungsgrad zu erfassen. Ebenso kann der Einfluß erhöhter Elektrolytgehalte des Durchströmungswassers auf das Quellverhalten der Bentonite untersucht werden.

2. Bentonite

2.1 Allgemeines

Erstmals erwähnt wurde der Begriff „Bentonit“ 1898 im Engineering Mineralogy Journal. Knight prägte diese Bezeichnung zur Beschreibung eines plastischen Tones, der in oberkretazischen Tuffen in der Nähe von Fort Benton im US-Bundesstaat Wyoming gefunden und bis dahin als „Taylorite“ bezeichnet wurde. Seit dieser Zeit wurde mit zunehmendem Wissen über die Beschaffenheit und die Anwendungsmöglichkeiten von Bentoniten die Definition mehrmals verändert. So stehen in der Definition von Ross & Shannon (1926) vor allem Zusammensetzung und Entstehung im Mittelpunkt. Sie bezeichnen Bentonit als ein hauptsächlich aus Montmorillonit und Beidellit bestehendes Tongestein, das durch die Entglasung von Tuffen oder vulkanischen Aschen entstanden ist. 1968 bot Wright eine eher technisch orientierte Definition an. Er beschrieb Bentonit als einen vorwiegend aus Tonmineralen der Smectit-Gruppe bestehenden Ton, dessen physikalische Eigenschaften durch diese Tonminerale bestimmt werden.

An diesen Definitionen läßt sich die Wandlung ablesen, die die Bedeutung von Tonen im Allgemeinen und Bentoniten im Besonderen im Laufe der Zeit erfahren hat. Stand zunächst noch die Verwendbarkeit von Tonen als Bau- und Gefäßmaterial und die Eignung von Tonlagen z.B. als Indexschichten für bestimmte sedimentologische Vorgänge im Vordergrund, ließen genauere Untersuchungen ein großes industrielles Potential der Tonminerale erahnen. Mittlerweile werden jährlich etwa 50 Millionen Tonnen Tone, Bentonite und Kaolinite verarbeitet (Stand 1993, Jasmund & Lagaly) und unterschiedlichsten Verwendungszwecken zugeführt. Der Anteil der Bentonite liegt bei etwa 10 Millionen Tonnen. Einen Überblick über die Anwendungs-möglichkeiten von Bentoniten gibt Abb. 1.

Abbauwürdige Lagerstätten von Bentoniten finden sich weltweit; wichtige Vorkommen liegen in Kanada (Alberta, Saskatchewan, Manitoba), den USA (Wyoming, Texas, Mississippi), Griechenland (Milos), Italien (Sardinien), Japan (Annaka), Brasilien (Campina Grande) und Deutschland (Landshut) (Hora, 1998).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Anwendungsmöglichkeiten von Bentoniten

2.2 Bentonite als Abdichtungsmaterial

Besonderes Augenmerk soll in dieser Diplomarbeit auf die Anwendung von Bentonit in der Geotechnik und dort vor allem auf den Bereich des Deponiebaus gelegt werden. Wurden Deponien zunächst dort geplant, wo eine natürlich anstehende geologische Barriere, wie z. B. ein Tonhorizont, ein Eindringen kontaminierter Deponiesickerwässer in das Grundwasser verhindern konnte, so wurden mit steigendem Deponieraumbedarf auch Standorte in Erwägung gezogen, an denen diese Barriere künstlich hergestellt werden mußte. Zunächst begann man damit, ortsnah anstehende Tone zum Deponiestandort zu verbringen und sie mechanisch verdichtet als Deponiesohle wiedereinzubauen. Mit steigender Entfernung zum Abbauort erwies sich diese Verfahrensweise als zunehmend unwirtschaftlicher, so daß man dazu überging, das Erdaushubmaterial vor Ort mit Bentonit zu vergüten. Dazu wurde der Aushub intensiv mit Bentonit vermischt, wobei sich der pulverförmige Bentonit in die freien Porenräume des gröberen Korngerüstes setzte und diese bei Wasserzutritt durch intensive Quellvorgänge effektiv versiegeln konnte. Nachteil dieses Verfahrens war der relativ hohe verfahrenstechnische Aufwand, den das Aufbrechen des Aushubmaterials, die möglichst homogene Durchmischung mit Bentonit und der Wiedereinbau des vergüteten Materials mit sich brachte. Um den deponieseitigen Arbeitsaufwand möglichst gering zu halten, begann man in den achtziger Jahren damit, sogenannte Bentonitmatten als Teil des Multibarrierenkonzepts einzusetzen. Hierbei wird Bentonitpulver zwischen zwei Trägerfliese eingebaut und durch eine Vernadelung der beiden Deckschichten miteinander in dieser Lage fixiert. Die Bentonitmatten lassen sich nun relativ problemlos an den Deponiestandort verbringen und dort, ähnlich wie ein Teppich, verlegen. Eventuell im Gefüge der Matten verbliebene Hohlräume werden durch die starke Volumenzunahme des Bentonits beim ersten Wasserzutritt verschlossen.

Bentonitmatten werden heutzutage jedoch nicht nur als Teil der Deponiebasisabdichtung eingesetzt, sondern häufig auch als Ersatz der mineralischen Komponente in Oberflächendichtungen. Hier haben sie die Aufgabe, sowohl ein Eindringen von Niederschlagswässern in den Deponiekörper als auch ein Austreten von Deponiegasen in die Atmosphäre zu minimieren. In der Regel werden Oberflächenabdichtungen mit einer ca. ein bis zwei Meter mächtigen Rekultivierungsschicht überdeckt, um die Bentonitmatte vor schädlichen äußeren Einwirkungen zu schützen.

Die Anforderungen, die nun an Bentonitmatten in Basis- und Oberflächen-abdichtungen gestellt werden, unterscheiden sich deutlich voneinander. So müssen sich die Basisdichtungen vor allem gegen den Eintrag gelöster Schadstoffe aus Sickerwässern bewähren, sind aber durch die natürliche Erdfeuchte weniger von Austrocknung bedroht. Oberflächenabdichtungen hingegen müssen zum einen eine möglichst hohe Unempfindlichkeit gegen die Einflüsse der Deponiegase bieten, zum anderen können sie durch die relativ geringmächtige Überdeckung periodischen Wassergehaltsschwankungen durch klimatische Einflüsse unterworfen sein, was zu extremen Volumenänderungen führt. Verantwortlich für die Volumenzunahme durch Quellung bei Wasserzutritt und die Volumenabnahme durch Schrumpfung bei Wasserentzug ist die Struktur der Bentonite, bzw. der sie bildenden Tonminerale, der Smectite.

2.3 Smectite

2.3.1 Genese von Bentoniten

Bentonite sind Tongesteine, die zum überwiegenden Anteil aus Tonmineralen der Smectit-Gruppe bestehen. So gilt z. B. im Anwendungsbereich der Deponietechnik ein Smectitgehalt von mindestens 70 % als Standard.

Entstanden sind Bentonite durch die synsedimentäre submarine Umwandlung vulkanischer Aschen (Halmyrolyse), durch die Verwitterung bzw. hydrothermale Umwandlung basischer Gesteine (Basalttuffe, Basalte) und durch fluviatile und lakustrine Sedimentation von Smectit in der weiteren Umgebung vulkanischer Gebiete (Störr, 1993).

Der dynamische Umwandlungsprozess der vulkanischen Gesteine wird dabei durch drei Hauptfaktoren bestimmt:

-Zusammensetzung des Ausgangsgesteins,
-Physikalische Bedingungen (Temperatur, Korngröße, Porosität, Durchlässigkeit) und
-Zusammensetzung der Alterationslösung im Porenraum (Fisher & Schmincke, 1984).

2.3.2 Struktur der Smectite

Smectite gehören zur Gruppe der Dreischichttonminerale (2:1-Schichtsilikate). Weitere Vertreter dieser Gruppe sind Glimmer, Vermiculite, Chlorite, Pyrophyllit und Talk. Ihnen stehen die sogenannten Zweischichttonminerale (1:1-Schichtsilikate) Kaolin und Serpentin gegenüber.

Die Bezeichnungen Zwei- und Dreischichttonminerale bzw. 1:1- und 2:1-Schichtsilikate beziehen sich auf die innere Struktur der Tonminerale (Abb.2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Räumliche Darstellung der Schichtstruktur der Dreischichtminerale

Als Schichten werden hier die flächenhaften Verknüpfungen der Tonmineralbausteine untereinander angesprochen. Bei diesen Bausteinen handelt es sich zum einen um [SiO4]-Tetraeder und zum anderen um [M(O,OH)6]-Oktaeder. Über gemeinsame Sauerstoffionen an ihren Eckpunkten sind die [SiO4]-Tetraeder in der Ebene zu einem Netzwerk aus Sechserringen verknüpft, wobei die freien Tetraederspitzen alle in eine Richtung zeigen und so die Tetraederschicht aufbauen (Abb. 3 a).

Die die Oktaederschicht bildenden [M(O,OH)6]-Oktaeder sind über gemeinsame Kanten derart miteinander verknüpft, daß zwei ihrer Dreiecksflächen parallel zu der Ebene der Tetraederschicht liegen. Die Verbindung beider Schichten wird über die Sauerstoffionen an den Tetraederspitzen hergestellt, die gleichzeitig den Sauerstoffoktaedern angehören (Abb. 3 b). Die nicht zur Schichtbindung benötigten Sauerstoffionen der Oktaeder liegen als Hydroxidionen OH- vor.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Tetraeder- (a) und Oktaederschichten (b) in den Silikatschichten

Zweischichttonminerale bestehen nun aus je einer Tetraeder- und Oktaederschicht (T‑O) und sollen hier nicht näher betrachtet werden. Dreischichttonminerale werden durch eine zwischen zwei Tetraederschichten eingelagerte Oktaederschicht (T-O-T) gebildet, wobei die freien Spitzen der Tetraederschichten gegeneinander gerichtet sind. Ein solches T-O-T-Schichtpaket wird als Elementarschicht bezeichnet.

2.3.3 Entstehung der Schichtladung

Je nach Wertigkeit der Metallionen im Zentrum der Sauerstoffoktaeder unterscheidet man di- und trioktaedrische Tonminerale. Bei trioktaedrischen Mineralen sind zweiwertige Metallionen (z. B. Mg2+) gebunden, was zur Folge hat, daß zum Ladungsausgleich alle Oktaederplätze mit Metallionen besetzt sein müssen. Dioktaedrische Minerale erreichen diesen Ladungsausgleich durch den Einbau dreiwertiger Metallionen (z. B. Al3+), wobei ein Drittel aller verfügbaren Oktaederplätze unbesetzt bleibt.

Bei den Dreischichtmineralen wird dieser ideale Ladungsausgleich und die damit verbundenen ungeladenen Elementarschichten aber nur vom trioktaedrischen Talk und vom dioktaedrischen Pyrophyllit erreicht. Alle anderen Dreischichtminerale weisen eine mehr oder weniger starke negative Schichtladung auf (Lagaly & Köster, 1993). Zu dieser Schichtladung kommt es vorwiegend durch die Substitution dreiwertiger durch zweiwertige Metallionen in der Oktaederschicht bei dioktaedrischen Mineralen, bzw. zweiwertiger durch einwertige Metallionen bei trioktaedrischen Mineralen. Weiterhin kann es durch Gitterdefekte dazu kommen, daß nicht alle drei Oktaederplätze der trioktaedrischen bzw. zwei Plätze der dioktaedrischen Minerale auch tatsächlich durch Metallionen besetzt sind. Somit ist die Gesamtladung der Oktaederkationen nicht 6+, wie es der stöchiometrische Ladungsausgleich erfordern würde, sondern (6‑x)+.

Zur Gesamtschichtladung trägt auch die Substitution von Si4+- durch Al3+-Ionen in der Tetraederschicht bei. Es lassen sich Minerale mit Schichtladung durch vorwiegend oktaedrische Substitution (z. B. Montmorillonit [di], Seladonit [di], Hectorit [tri]) von solchen mit vorwiegend auf tetraedrischer Substitution beruhender Schichtladung (z. B. Beidellit [di], Nontronit [di], Muskovit [di], Saponit [tri]) unterscheiden. Bei Vermiculiten, Illiten und Glaukoniten beruht die Schichtladung gleichermaßen auf oktaedrischer und tetraedrischer Substitution.

Die Gesamtschichtladung ξ einer Elementarschicht errechnet sich nun aus den jeweiligen Substitutionen x und y innerhalb der allgemeinen stöchiometrischen Formel der Elementarschicht der Dreischichtminerale:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Schichtladung variiert bei den Dreischichtmineralen insgesamt zwischen 0,2 und 2, bei den Smectiten zwischen 0,2 und 0,6 (Abb. 4)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Einteilung der 2:1-Schichtsilikate und deren Schichtladung

Zum Ausgleich der negativen Schichtladung der einzelnen Elementarschichten werden zwischen den Schichtpaketen sogenannte Zwischenschicht- oder Gegenionen gebunden. Diese Gegenionen (im natürlichen Zustand vorwiegend Ca2+, Mg2+, K+ oder Na+) mit der Ladung v+ können in reiner oder hydratisierter Form vorliegen, zusätzlich können auch noch freie Wassermoleküle in den Zwischenschichten eingelagert werden. Die allgemeine stöchiometrische Formel der Dreischichtminerale ergibt sich also zu:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

wobei vor der geschweiften Klammer der Zwischenschichtraum und innerhalb der geschweiften Klammer die Elementarschicht beschrieben wird. Hier sei aber ausdrücklich nocheinmal darauf hingewiesen, daß diese Formel eine idealisierte Ladungsverteilung beschreibt. In der Realität sind die negativen Ladungen nicht immer gleichmäßig verteilt, so daß ansonsten gleichartige Smectite sich trotz gleicher mittlerer Schichtladung merklich voneinander unterscheiden können (Ensminger & Gieseking, 1942). Smectite zeichnen sich zudem dadurch aus, daß ein Teil der Schichtladung auf die randlichen Bereiche der einzelnen Tonmineralplättchen konzentriert ist (Kantenladung). Die Verbindung einzelner Elementarschichten untereinander erfolgt über die elektrostatischen Bindungskräfte der Gegenionen, wobei die o. g. Kantenladung auch zu einer kartenhausartigen Vernetzung der Elementarschichten führen kann. Die relativ geringen elektrostatischen Bindungskräfte begründen zwei wichtige Eigenschaften der Smectite: zum einen liegen die Gegenionen in austauschbarer Form vor, zum anderen können die Zwischenschichtabstände durch die Anlagerung von Wassermolekülen stark aufgeweitet werden.

Die Quellfähigkeit der Tonminerale hängt zwar stark, aber nicht ausschließlich von der Schichtladung ab. So liegen z. B. die K+ - Gegenionen der hochgeladenen Illite in nicht austauschbarer Form vor, da sie aufgrund ihres Ionendurchmessers genau in die bitrigonalen Hohlräume der Zwischenschichten passen. Durch diese genaue „Paßform“ wird auch eine Hydratisierung und somit ein Quellen der Illite verhindert.

2.3.4 Morphologie der Smectite

Die untereinander verbundenen Elementarschichten der Smectite bilden sehr feine Einzelaggregate mit Korngrößen meist <2μm aus. Diese sehr kleinen Korngrößen resultieren in einer hohen spezifischen äußeren Oberfläche der Smectite von 80-100m²/g. Morphologisch gesehen bilden Smectite, wie z. B. der Montmorillonit, dünne Kriställchen aus, „die wie unregelmäßig begrenzte, verbogene, manchmal gefaltete und an den Rändern eingerollte Folienstückchen erscheinen. Die Ränder dieser `Kristalle` sind nicht scharf begrenzt, sondern durch ungleich lange und ausgebuchtete Silikatschichten ausgefranst. Meist bestehen die Teilchen aus übereinandergelagerten Schichtpaketen, die an Stellen geringer Überlappungs-bereiche leicht auseinanderbrechen können“ (Lagaly & Köster, 1993).

Weitergehende elektronenmikroskopische Untersuchungen von Grim & Güven (1978) ermöglichten es, die Morphologie der Smectit-Kristalle in drei Klassen zu untergliedern. Sie unterschieden:

- Smectitlamellen mit rhombischen Umrissen oder gestreckte hexagonale Blättchen,
- dünne Blättchen mit unregelmäßigen Umrissen und Dicken von 10 - 200Å und
- leisten- oder bandförmige Kristallite in Smectiten mit vorwiegend tetraedrischer Substitution.

In den häufigsten Fällen treten diese Kristallitformen jedoch nicht isoliert auf, sondern sind in charakteristischen Aggregaten zusammengefasst. In diesen Aggregaten dominieren waben- oder lamellenartige Strukturen, die aus einzelnen dünnen Smectitbändern oder –blättchen zusammengesetzt sind (Köster, 1993).

Das hohe Wasseraufnahme- und Quellvermögen, das Smectite so interessant für den Einsatz in der Deponietechnik macht, beruht auf der Eigenschaft, im Zwischenschichtraum Wassermoleküle zu binden. Hierbei wird der Schichtabstand von ungefähr 9,5Ǻ im trockenen Zustand auf über 20Ǻ im feuchten Zustand aufgeweitet. In Abhängigkeit von der Art und Wertigkeit der Gegenionen sowie bestimmter Randbedingungen kann es sogar zur vollständigen Ablösung der einzelnen Elementarschichten (Delamination, Quellung > ∞) kommen.

Auch die Austauschbarkeit der Gegenionen wird im Deponiebau genutzt. So sind Bentonite auch in der Lage, organische Moleküle aus kontaminierten Sickerwässern in ihre Zwischenschichten einzubauen und sie somit zu immobilisieren.

Desweiteren macht man sich die Kationenaustauschfähigkeit der Smectite zunutze, um einen weniger gut quellfähigen Calcium-Bentonit durch die sogenannte Sodaaktivierung in einen stärker quellfähigen Natrium-Bentonit zu überführen (siehe Kapitel 2.5).

2.4 Quellverhalten der Smectite

Das Quellverhalten der Smectite, das von grundlegender Bedeutung für viele Einsatzmöglichkeiten von Bentoniten in der Geotechnik ist, beruht auf drei möglichen Arten der Wasseranlagerung an die Tonminerale:

1. der Aufnahme freien Wassers in Mikroporen des Mineralgefüges,
2. der innerkristallinen Quellung und
3. der osmotischen Quellung.

2.4.1 Aufnahme freien Wassers in Mikroporen

Die oben erwähnte Blättchenstruktur der Smectite führt dazu, daß sich einzelne Smectit-Kristalle gegeneinander verkeilen und somit freie Porenräume entstehen können. Bei Wasserzutritt kann nun Wasser in diese Porenräume eindringen und sie komplett ausfüllen. Bei ausreichendem Porenwasserdruck kann dies dazu führen, daß die Smectit-Kristalle auseinandergedrückt werden, was sich in einer leichten Quellung des Smectits ausdrückt. Diese Art der Quellung hat jedoch nur einen sehr geringen Anteil an der Gesamtquellfähigkeit der Smectite.

2.4.2 Innerkristalline Quellung

Die innerkristalline Quellung der Smectite beruht auf der Hydratisierung der Gegenionen sowie auf dem Einbau von Wassermolekülen in die Zwischenschichten (Abb. 5). Je nach Wasserangebot findet die Aufweitung der Zwischenschicht-abstände stufenweise statt (Kraehenbühl et al., 1987). Die einzelnen möglichen Hydratationsstufen sind hierbei:

-„Nullte“ Hydratationsstufe: in den Zwischenschichten sind keine durch-gehenden monomolekularen Wasserschichten ausgebildet, nur einzelne Wassermoleküle sitzen in den bitrigonalen Hohlräumen der Silikatschichten, lufttrockener Zustand, Schichtabstand ca. 9,5 – 10,5Å.
- Erste Hydratationsstufe: in die Zwischenschichten ist eine monomolekulare Wasserschicht eingebaut, Schichtabstand ca. 11,8 – 12,4Å; Wassergehalt ca. 6,2 %.
- Zweite Hydratationsstufe: im Zwischenschichtraum sind zwei durchgehende Wasserschichten eingebaut, Schichtabstand ca. 14,5 – 15,5Å; Wassergehalt ca. 16,5 %.
- Vierte Hydratationsstufe: vier durchgehende Wasserschichten befinden sich im Zwischenschichtraum, Schichtabstand ca. 19 - 20Å; Wassergehalt ca. 25 %.

Die Delamination, bei der die elektrostatischen Bindungen zwischen den Elementar-schichten aufbrechen, ihr Abstand zueinander stetig wächst und der Schichtabstand gegen ∞ strebt, wird nicht mehr zum Bereich der innerkristallinen Quellung gerechnet. Diese ist mit Erreichen der vierten Hydratationsstufe abgeschlossen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Zwischenschichtabstand von Smectiten bei innerkristalliner Quellung

Die genauen Werte der Schichtabstände in den einzelnen Hydratationsstufen hängen von den Gegenionen, der Schichtladung und der Ladungsverteilung der einzelnen Smectite ab. Da es durch ungleichmäßige Ladungsverteilungen zu unterschiedlichen Hydratationsstufen innerhalb eines Smectit-Kristalls kommen kann, können die scharfen Stufengrenzen verwischen (Lagaly, 1993/1).

In den Hydratationsstufen bleiben die einzelnen Elementarschichten über elektrostatische Bindungskräfte miteinander verbunden, es liegen noch quasikristalline Strukturen vor (Hofmann et al., 1957). Innerhalb dieser quasikristallinen Strukturen liegen die Gegenionen relativ geordnet zwischen den Elementarschichten, wobei der Ordnungsgrad mit der Wertigkeit der Gegenionen zunimmt. So sind einwertige Gegenionen eher diffus im Zwischenschichtraum verteilt, während zweiwertige Gegenionen bei einer Wasserschicht abwechselnd die bitrigonalen Hohlräume der unteren und oberen Elementarschicht besetzen und bei zwei oder mehr Wasserschichten vorwiegend in der Mitte des Zwischenschichtraumes zu finden sind (Lagaly, 1993/1).

Die gemessenen Quelldrücke beim Einbau der Wasserschichten sind extrem hoch und betragen bei einem reinen Montmorillonit bis ca. 400 N/mm2 für die erste, bis ca. 110 N/mm2 für die zweite und bis ca. 27 N/mm2 für die vierte Hydratationsstufe (Müller-Vonmoos, 1993), so daß die innerkristalline Quellung durch die bei Deponie-Oberflächenabdichtungen auftretende normale Auflast kaum behindert wird.

2.4.3 Osmotische Quellung

Einen ebenfalls großen Einfluß auf die Gesamtquellung der Smectite hat die sogenannte Osmotische Quellung, die auf elektrostatischen Abstoßungskräften aufgrund von Konzentrationsunterschieden der Kationen an den Tonmineral-oberflächen und in der Porenlösung beruht. Hierbei sind die Gegenionen nicht mehr eng an die Zwischenschichten gebunden, sondern bilden diffuse Ionenschichten aus, die dem Konzentrationsgefälle folgen und deren Konzentration exponentiell zur Lösung hin abnimmt (Lagaly, 1988). Um dieses Konzentrationsgefälle ausbilden zu können, muß es sich bei der Porenlösung um Wasser oder eine elektrolytarme Lösung handeln.

In diesem Fall bildet sich ein starker Konzentrationsunterschied zwischen den an die Tonmineraloberflächen gebundenen Kationen (Konzentration C1) und der elektrolyt-armen Porenlösung (Konzentration C2 << C1) aus. Um diesen Unterschied auszugleichen, dringt die Porenlösung osmotisch zwischen die Tonmineralschichten und vergrößert den Abstand zwischen ihnen. Ohne beschränkende äußere Einflüsse, wie z. B. eine Auflast, setzt sich dieser Quellvorgang solange fort, bis die Ionen-konzentration im gesamten System einen Gleichgewichtszustand erreicht hat.

Einen Ansatz für die Erklärung der komplexen elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den geladenen Tonmineraloberflächen, den Gegenionen und den Ionen in der Porenlösung gibt die DLVO (Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek)-Theorie. Nach dieser Theorie wird der Raum um die einzelnen Tonmineralpartikel in drei Bereiche eingeteilt (Abb. 6):

1.die Tonmineraloberfläche (α),
2. die sog. Sternschicht (β)und
3. die diffuse Ionenschicht (ζ).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6: Modell der Ton-Wasser-Grenzfläche (nach: Güven, 1992)

Direkt an der Tonmineraloberfläche lagern sich in einem hohen Ordnungszustand vereinzelte Gegenionen sowie, aufgrund ihres ausgeprägten Dipol-Charakters, auch adsorbierte Wassermoleküle an. In der Sternschicht finden sich hydratisierte Gegenionen in einem ebenfalls hohen Ordnungszustand. In der diffusen Ionenschicht beginnt die Durchmischung der frei verteilten hydratisierten Gegenionen und der Ionen der Porenlösung. Mit steigender Rate der osmotischen Quellung dringt immer mehr Wasser in den Zwischenschichtraum ein und weitet die diffusen Ionenschichten aus, wobei die Ladungsdichte abnimmt und sich somit immer mehr der Konzentration der Porenlösung angleicht. Die Tonmineralpartikel verlieren dabei ihre quasikristalline Ordnung und bilden eine Suspension aus.

Die Vorgänge innerhalb dieser Suspension, die die direkte Folge der unbehinderten osmotischen Quellung ist, beruhen auf verschiedenen Grundlagen.

Die einzelnen wirksamen Komponenten, die zur Gesamtwechselwirkung (VT) der Tonmineralpartikel beitragen, sind dabei nach der DLVO-Theorie (Abb. 7):

- VR = elektrostatische Abstoßung zweier diffuser Ionenschichten
- VB = Born´sche Abstoßung bei direktem Teilchenkontakt
- VA = van-der-Waals Anziehungskräfte der Tonpartikel untereinander.

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Abb. 7: Wirksame Kräfte nach DLVO-Theorie

Die Wirksamkeit der einzelnen Kräfte hängt dabei von dem Abstand zur Tonmineraloberfläche ab. So ist die Born´sche Abstoßung, die aufgrund gleichartiger (negativer) Ladung der Oberflächen einen direkten Kontakt zweier Tonmineralpartikel verhindert, nur in unmittelbarer Oberflächennähe wirksam. Auch die van-der-Waals´schen Anziehungskräfte, die auf der Interaktion der Atome der Tonminerale beruht, nimmt mit steigendem Abstand zur Oberfläche stark ab. Die elektrostatische Abstoßung der diffusen Ionenschichten hängt von ihrer Ladungsdichte ab. Da diese (Abb. 6) mit steigendem Abstand zur Tonmineraloberfläche immer mehr ausdünnt, vermindert sich auch die Wirksamkeit der Abstoßungskräfte.

Die Aufsummierung der Einzelkomponenten zeigt nun einzelne Bereiche auf, in denen Anziehung bzw. Abstoßung der Tonmineralpartikel untereinander stattfindet. Direkt an der Tonmineraloberfläche dominiert die abstoßende Kraft der Born´schen Abstoßung, wird jedoch schon bald durch die stärkere van-der-Waals-Anziehung kompensiert, so daß im Bereich der Sternschicht ein attraktives Milieu vorherrscht (primäres Minimum). Dieses wird durch die, im Vergleich mit der van-der-Waals-Anziehung weniger stark mit der Entfernung zur Oberfläche fallende, elektrostatische Abstoßung der diffusen Ionenschichten aufgehoben, so daß im Bereich der diffusen Ionenschichten wieder ein abstoßendes Milieu herrscht, das bei VM sein Maximum erreicht. VM beschreibt also die maximale Energiebarriere, die bei der Annäherung zweier Tonmineralpartikel überwunden werden muß. Bei genügend starker Ausdünnung der Ionenschichten werden die abstoßenden elektrostatischen Kräfte noch einmal von den attraktiven Momenten der van-der-Waals-Kräfte kompensiert (sekundäres Minimum).

Die durch den Vorgang der osmotischen Quellung delaminierten Tonpartikel werden also nach der DLVO-Theorie in einem bestimmten Abstand zueinander gehalten, da sie im Bereich des sekundären Minimums voneinander angezogen werden, ohne äußere Einwirkungen jedoch die bis VM ansteigende Energiebarriere nicht überwinden können. Diesen Zustand der Delamination und stabilen Positionierung der einzelnen Tonmineralpartikel bezeichnet man als kolloidale Suspension.

Die Stabilität dieses Systems beruht aber auf dem großen Unterschied zwischen der Ionenkonzentration an der Tonmineraloberfläche und in der Porenlösung. Wird dieser Unterschied durch Anwesenheit von Elektrolyten in der Porenlösung erniedrigt, so wird ein Konzentrationsausgleich schon durch einen geringeren Zustrom von Porenlösung in den Zwischenschichtraum erreicht. Die osmotische Quellung erreicht daher kleinere Werte. Auch dieser Vorgang wird durch die DLVO-Theorie beschrieben (Abb. 8).

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Abb. 8: Kompression der diffusen Ionenschichten bei Salzzusatz

Ein Salzzusatz, also eine Erhöhung der Elektrolytkonzentration der Porenlösung, bewirkt eine räumliche Kompression der diffusen Ionenschichten. Die elektrostatische Abstoßung VR besitzt nicht mehr die vorherige Reichweite, steigt dafür aber mit zunehmender Nähe zur Tonmineraloberfläche umso stärker an. Da die van-der-Waals-Kräfte und die Born´sche Abstoßung materialspezifisch und konzentrationsunabhängig sind, hat allein die Verschiebung der VR-Kurve einen Einfluß auf die gesamtwirksame Kraft VT. Bei erhöhter Elektrolytkonzentration überwiegen die attraktiven van-der-Waals-Kräfte die elektrostatische Abstoßung, so daß sich zwei Tonpartikel immer stärker annähern können. Erst kurz vor der Tonmineraloberfläche dominiert die Summe aus Born´scher und elektrostatischer Abstoßung wieder über die Anziehung, was einen direkten Kontakt der Tonmineralpartikel unmöglich macht. Allein dieser Umstand erlaubt eine Reversibilität des Vorgangs bei Erniedrigung der Elektrolytkonzentration.

Betrachtet man den Verlauf der Summenkurve VT während einer langsamen Konzentrationserhöhung, so fällt ein stetiges Absinken der Energiebarriere VM auf. Erst wenn diese Barriere bei einer bestimmten Elektrolytkonzentration auf Null abgesunken ist, können sich einzelne Partikel zu größeren Aggregaten zusammenschließen.

Der Zustand der instabilen Suspension durch Partikelanlagerungen bei erhöhter Elektrolytkonzentration wird als Koagulation bezeichnet. Die zur Überwindung der Energiebarriere VM benötigte Elektrolytkonzentration heißt demnach kritische Koagulationskonzentration.

Im Vergleich mit dem Vorgang der innerkristallinen Quellung fällt auf, daß die osmotische Quellung durch die Ausbildung diffuser Ionenschichten zwar eine wesentlich größere Reichweite hat (in Wasser bis ca. 5000Å gegenüber ca. 20Å bei innerkristalliner Quellung), dafür aber wesentlich geringere Quelldrücke hervorruft (ca. 2 N/mm² gegenüber bis ca. 400 N/mm² bei innerkristalliner Quellung) (Müller-Vonmoos, 1993). Die osmotische Quellung findet also vorwiegend bei unbelasteten Smectiten oder bei Entlastung vormals belasteter Smectite statt.

2.5 Sodaaktivierung von Bentoniten

In Abschnitt 2.4.2 wurde erläutert, daß das Ausmaß der Gesamtquellung eines Bentonits sehr stark von der Zwischenschichtbelegung abhängt, wobei man stark quellende Na-Bentonite und weniger stark quellende Ca-Bentonite unterscheiden kann. Für eine Vielzahl geotechnischer Anwendungen ist eine hohe Quellfähigkeit von großer Bedeutung, so daß eigentlich Na-Bentonite zum Einsatz kommen müßten. Da aber in den meisten natürlichen Bentonitlagerstätten Ca-belegte Bentonite abgebaut werden (Ausnahme: z. B. Wyoming, USA), macht man sich durch die Sodaaktivierung in großem Maßstab die Kationenaustauschfähigkeit von Smectiten zunutze. Hierbei wird der grubenfeuchte Bentonit (ca. 35-40 Gew.% Wassergehalt) mit 1-5 Massen-% Natriumcarbonat (Na2CO3 * 10 H2O, „Soda“) versetzt und mechanisch durchgewalkt. Während dieses Vorganges werden die Ca-Gegenionen zum großen Teil durch Na-Ionen ersetzt. Die gelösten Ca-Ionen verbinden sich entweder mit den Carbonatresten zu Calciumcarbonat und fallen als Calcit aus, oder verbleiben als freie Ionen im Bentonit (Lagaly, 1993/2). Die auf diese Weise sodaaktivierten Ca-Bentonite weisen deutlich höhere Quellfähigkeiten als unbehandelte Ca-Bentonite auf, erreichen aber, bedingt durch den unvollständigen Kationenaustausch, das natürlicher Na-Bentonite nicht.

Über genaue Berechnung der Sodazugabe sowie vorsichtige Steuerung der Trocknungs- und Mahlvorgänge während der Rohmaterialaufbereitung können die Eigenschaften des Endproduktes den jeweiligen Verwendungszwecken angepaßt werden. Hierbei sind besonders das Quellvermögen, die rheologischen Eigenschaften sowie die Kationenaustauschkapazität von Interesse.

3.Röntgencomputertomographie

3.1 Allgemeines

Die 1895 von Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte und nach ihm benannte Röntgenstrahlung entsteht, wenn in einer Vakuumröhre an der Glühkathode durch die Wärmeenergie Elektronen ausgelöst, in einem elektrischen Feld mit einer Beschleunigungsspannung von über 10kV Richtung Anode beschleunigt werden, dort auftreffen und mit den Atomen des Anodenmaterials in Wechselwirkung treten. Damit stellt die Entstehung der Röntgenstrahlung eine Umkehrung des Photoeffektes dar, bei dem auf bestimmes Material auftreffende Lichtenergie Elektronen freisetzt, die als freie Ladungsträger einen Stromfluß bewirken (Photoelektrische Elemente, Solarzellen). Dieser Analogie folgend erklären sich auch die häufig verwendeten Begriffe wie Röntgen„licht“ für Röntgenstrahlung oder „durchleuchten“ als Beschreibung der Durchstrahlung von Materie.

Die sehr energiereiche Röntgenstrahlung liegt mit Wellenlängen von 10-13 bis 10-8m im kurzwelligen Bereich des Spektrums (Abb. 9) und ist für das menschliche Auge nicht sichtbar. Durch eine Abschrägung der Anode tritt die Röntgenstrahlung seitlich aus einem Fenster der Röntgenröhre aus (Abb. 10).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 9: Das elektromagnetische Spektrum (Hering et al., 1992)

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Abb. 10: Schema einer Röntgenröhre

Ihre hohe Energie erlaubt es ihr dabei, Materie zu durchdringen, wobei sie allerdings in Abhängigkeit von der Dichte des Materials charakteristisch abgeschwächt wird. Dieses schon von Wilhelm Conrad Röntgen festgestellte Phänomen macht man sich heutzutage in vielen Bereichen zunutze. Die bekanntesten Beispiele sind aber die Medizin und Werkstoffprüfung. Aus diesen beiden Bereichen sind auch die wohl weitverbreitetsten Nachweismöglichkeiten für Röntgenstrahlung bekannt. So kann diese Strahlung, ähnlich wie Licht aus dem ultravioletten Bereich des Spektrums, geeignete Stoffe zur Fluoreszenz anregen, so z. B. bei einem Röntgenschirm, oder aber den photographischen Film schwärzen (klassische Röntgenbilder der Medizin). Desweiteren kann Röntgenstrahlung durch ihre ionisierende Wirkung z. B. in Gasen zu einer unselbständigen elektrischen Leitung führen, deren Sättigungsstrom als ein Maß für die Strahlungsintensität herangezogen werden kann. Dieselbe ionisierende Wirkung erlaubt auch den Einsatz eines Zählrohres zum Nachweis von Röntgenstrahlung (Stuart & Klages, 1994).

Die Röntgenstrahlung ist, ebenfalls wie sichtbares Licht, nicht monochromatisch, also von einer Wellenlänge, sondern deckt in Abhängigkeit von der Beschleunigungs-spannung einen bestimmten Spektralbereich ab. Dieser Spektralbereich entsteht durch die Überlagerung zweier bei der Entstehung von Röntgenstrahlung auftretender Strahlungsarten, der Bremsstrahlung und der Charakteristischen Strahlung (Lindner, 1993; Dobrinski et al., 1988) (Abb. 11 c).

3.2 Spektrum der Röntgenstrahlung

3.2.1 Bremsstrahlung

Wenn die beschleunigten Elektronen in das Anodenmaterial eindringen, können sie in Wechselwirkung mit dessen Atomen treten. Durchquert ein Elektron ein Atom des Anodenmaterials und wird dabei abgebremst, so gibt es einen großen Teil seiner kinetischen Energie als Strahlung ab. Durch diese einmalige negative Beschleunigung einer negativen Ladung wird ein Wellenzug mit einem kontinuierlichen Frequenzband erzeugt, während bei einer sinusförmigen Geschwindigkeitsänderung des Elektrons elektromagnetische Wellen von nur einer Frequenz entstehen würden. Die untere Wellenlängengrenze dieses Frequenz-bandes λmin ist abhängig von der angelegten Beschleunigungsspannung Ua. Mit steigender Anodenspannung Ua wandert λmin zum kurzwelligen Ende des Spektrums, so daß das Produkt aus Ua und λmin eine vom Anodenmaterial unabhängige Konstante ist (Stuart & Klages, 1994).

Diese durch das Abbremsen von Elektronen im Anodenmaterial entstehende Strahlung wird als „Bremsstrahlung“ bezeichnet (Abb. 11 a).

3.2.2 Charakteristische Strahlung

Durch Kollisionen von Elektronen mit Atomen des Anodenmaterials kann es dazu kommen, daß die abgegebene kinetische Energie des Elektrons ausreicht, Atome zu ionisieren, also eines oder mehrere der Elektronen des Atoms aus dem Atomverband zu lösen. Diese Elektronen wiederum geben bei einer Rekombination mit einem ionisierten Atom einen Teil ihrer Energie als Strahlung ab. Die Energie und Wellenlänge dieser Strahlung hängt davon ab, auf welchem Orbitalplatz das Elektron wiedereingebaut wird. Da aber die Orbitalstruktur und -besetzung eine material-abhängige Größe ist, ist auch die auf diese Weise entstehende Strahlung materialabhängig und bildet charakteristische Spektralspitzen aus (Stuart & Klages, 1994).

Daher wird diese durch Ionisation und Rekombination entstehende Strahlung als „Charakteristische Strahlung“ bezeichnet (Abb. 11 b).

3.2.3 Wärmestrahlung

Die langwellige Wärmestrahlung gehört nicht zum kurzwelligen Spektrum der Röntgenstrahlung und entsteht durch das langsame Abbremsen von Elektronen im Anodenmaterial. Dieser Vorgang tritt weit häufiger auf als die unter 3.2.1 und 3.2.2 beschriebenen, was sich in einem sehr kleinen Wirkungsgrad der Röntgenröhre ausdrückt. So werden an einer Wolframanode bei einer Beschleunigungsspannung von 100kV nur etwa 0,75% der kinetischen Energie der Elektronen in Röntgenstrahlung umgesetzt. Die Strahlungsausbeute kann jedoch mit steigender Beschleunigungsspannung erhöht werden, da sie mit dem Quadrat der Spannung wächst. Dabei ist ein Wirkungsgrad von etwa 3% erreichbar. Das Problem der anfallenden Wärme wird noch dadurch verschärft, daß die oben beschriebenen Vorgänge in einem flächenmäßig sehr kleinen Gebiet der Anodenoberfläche, dem sogenannten Brennfleck, ablaufen. Je kleiner dieser Brennfleck ist, desto mehr nähert man sich der Modellvorstellung einer punktförmigen Strahlungsquelle an, von der der Strahlungsfächer ausgeht, was von großer Bedeutung für die Auswertung der erhaltenen Daten ist. Die Konzentrierung der Vorgänge auf den Brennfleck wird erreicht, indem die Elektronen durch Kondensatorplatten abgelenkt und auf den Brennfleck fokussiert werden. Um eine Beschädigung der Anode durch die auftretende Wärme zu vermeiden, wählt man zum einen ein Metall mit hoher Ordnungszahl (z. B. Wolfram) als Anodenmaterial, zum anderen führt man überschüssige Wärme durch geeignete Kühlsysteme (z. B. Wasserkühlung) ab. (Stuart & Klages, 1994).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 11: Spektrum der Röntgenstrahlung (Hering et al., 1992)

3.3 Durchstrahlung von Materie

Bei der Durchquerung von Materie interagieren die einzelnen Röntgenquanten (γ‑Quanten, γ-Photonen) in charakteristischer Weise mit den Atomen des durchstrahlten Materials. Diese Interaktionen resultieren in einer Schwächung der ursprünglichen Röntgenstrahlung, deren Grad vom durchstrahlten Material und dessen Dichte abhängig ist. Dieses Phänomen macht man sich in der Computertomographie zunutze, um Stoffe verschiedener Dichte gegeneinander abgrenzen zu können.

Die einzelnen Komponenten, die zu der Abschwächung von Röntgenstrahlung beitragen, lassen sich unter den Oberbegriffen Adsorption und Streuung zusammenfassen. Die Adsorption ist dabei weiter in Photoeffekt und Paarbildungseffekt, die Streuung in Compton- und Raleighstreuung unterteilt.

Die Gesamtabschwächung oder der sogenannte lineare Abschwächungskoeffizient μ ergibt sich durch die Aufsummierung der einzelnen Anteile. Es gilt also:

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3.3.1 Adsorption

- Photoeffekt

Wie schon unter 3.1 erwähnt, ist der Photoeffekt ein Vorgang, bei dem auftreffende Strahlung freie Ladungsträger aus Atomen herauslöst, diese also ionisieren kann. Im Falle der Röntgenstrahlung wird das auftreffende Photon der γ-Strahlung komplett von einem Atom des durchstrahlten Material absorbiert, wobei seine Energie dazu dient, ein Elektron (meist aus der K-Schale) aus dem Atomverband zu lösen. Besaß das Photon vor dem Aufprall eine höhere als zur Ionisation benötigte Energie, so geht der Überschuß als kinetische Energie an das Elektron über.

Der Photoeffekt überwiegt bei γ-Photonenenergien unterhalb von 0,5 MeV.

- Paarbildungseffekt

Durchquert ein γ-Photon ein Atom des durchstrahlten Materials in der Nähe seines Kerns, so kann es dort zu zwei Teilchen, einem Elektron und einem Positron, materialisieren . Diese beiden Teilchen sind von gleicher Masse und gleichem Spin, aber unterschiedlicher Ladung (Elektron negativ, Positron positiv). Als Voraussetzung für den Paarbildungseffekt muß das γ-Photon eine Mindestenergie von 1,02 MeV besitzen, was nach E=mc² (E=Energie, m=Teilchenmasse, c=Lichtgeschwindigkeit) dem Energieäquivalent der Summe der beiden Teilchenmassen entspricht. Besitzt das γ-Photon eine höhere Energie, so wird der Überschuß in gleichem Maße an beide neuentstandenen Teilchen in Form von kinetischer Energie weitergegeben.

3.3.2 Streuung

- Comptonstreuung

Die Comptonstreuung beruht auf Kollisionen des γ-Photons mit einem Elektron eines Atoms der durchstrahlten Materie, bei denen nur ein Teil der Photonenenergie an dieses abgegeben wird. Nach der Beziehung W=h*f (W=Energie, h=Planck´sche Konstante, f=Frequenz der Welle) entspricht die somit erniedrigte Energie des Photons einer niedrigeren Frequenz der Welle, die nach c=λ*f (c=Ausbreitungsgeschwindigkeit, λ=Frequenz der Welle) eine um Δλ vergrößerte Wellenlänge bewirkt. Eine Änderung der Wellenlänge bedeutet aber eine Veränderung der Ausbreitungsrichtung der Welle. Für den Ablenkungswinkel φ in Abhängigkeit von Δλ gilt:

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wobei der Proportionalitätsfaktor Λ von den Stoßpartnern der Photonen abhängt und Comptonwellenlänge genannt wird.

-Raleighstreuung

Bei der Raleighstreuung treten die Photonen mit dem gesamten Atom des durchstrahlten Materials in Wechselwirkung und werden dabei ohne Energieverlust gestreut. Durch diese Änderung der Ausbreitungsrichtung werden einzelne Photonen soweit aus dem Strahlengang herausgestreut, daß sie den Detektor nicht mehr erreichen, die Intensität der Röntgenstrahlung wird also abgeschwächt (Dobrinski et al., 1988).

Die unter 3.3.1 und 3.3.2 beschriebenen Vorgänge stehen in direkter Abhängigkeit von der Energie des γ-Photons und der Ordnungszahl Z der Atome des durchstrahlten Materials. Einen Überblick über diese Abhängigkeit liefert Abb. 12 a, eine graphische Erläuterung des Photo-, Compton- und Paarbildungseffektes ist Abb. 12 b zu entnehmen.

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Abb. 12 a: Abhängigkeit der Absorptions- und Streuungeffekte von Photonenenergie und Ordnungszahl (FH Aachen, 1995)

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Abb. 12 b: Schematische Darstellung des Photo-, Compton- und Paarbildungseffektes (FH Aachen, 1995)

Diese Abhängigkeit des linearen Abschwächungskoeffizienten von der Ordnungszahl Z der durchstrahlten Atome und der Energie der Röntgenstrahlung (bzw. von der Wellenlänge λ, die aber durch

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in direktem Zusammenhang mit der Energie steht) bezieht Lindner (1993) in seine Formel für den linearen Abschwächungskoeffizienten μ direkt mit ein. Es gilt also:

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Das Ansteigen der Abschwächung mit der 4. Potenz der Ordnungszahl ermöglicht es z. B. in der Medizin, Knochengewebe (vorwiegend Calcium, ZCa=20) deutlich von weicherem Körpergewebe (vorwiegend Wasser, ZH=1 und ZO=8) unterscheiden zu können. Zum Schutz vor schädlicher Röntgenstrahlung kann daher auch das leicht erhältliche Blei (ZPb=82) herangezogen werden.

Das Ansteigen der Abschwächung mit der 3. Potenz der Wellenlänge zeigt deutlich, daß energiereiche, kurzwellige Strahlung wesentlich weniger stark absorbiert wird als energiearme, langwellige Strahlung. Die kurzwellige, „harte“ Strahlung wird daher vorwiegend dort eingesetzt, wo Materialien mit höherer Ordnungszahl durchstrahlt werden müssen (z. B. Werkstoffprüfung), während die langwellige, „weiche“ Strahlung häufig Anwendung in der Medizin findet, da sie durch ihre geringere Energie das Körpergewebe weniger stark schädigt.

Die durch die vorstehend beschriebenen Effekte geschwächte Strahlung ist in der Lage, geeignete Detektoren in Abhängigkeit ihrer Restenergie zu beeinflussen. Der bekannteste und einfachste Fall ist auch hier wieder die klassische medizinische Röntgenaufnahme. Der photographische Film wird dabei durch energiereichere Strahlung stark und durch energieärmere Strahlung weniger stark geschwärzt. Im Bereich der Röntgencomputertomographie finden jedoch andere Detektoren Anwendung. Man unterscheidet hier sogenannte Gasdetektoren, bei denen durch die ionisierende Wirkung der Röntgenstrahlung in gasgefüllten (Xenon) Ionisationskammern eine unselbständige elektrische Leitung einsetzt, deren Sättigungsstrom einen Rückschluß auf die Energie der Strahlung zuläßt, von den Festkörperdetektoren. Bei Festkörperdetektoren werden Szintillationskristalle durch die auftreffende Röntgenstrahlung zur Emission von Lichtblitzen angeregt. Diese Lichtblitze, deren Intensität proportional zur Energie der auftreffenden Strahlung ist, werden von Photomultipliern verstärkt und von Photodioden in einen elektrischen Impuls umgewandelt, dessen meßbare Stärke wiederum in direktem Zusammenhang zur Energie der Strahlung steht.

3.4 Röntgencomputertomographie

3.4.1 Verfahrensweise

Da es das Ziel der Röntgencomputertomographie ist, die Dichterverteilung innerhalb eines inhomogenen Probenkörpers räumlich zu erfassen, reicht es nicht mehr aus, diesen Probenkörper nur ein einziges Mal zu durchstrahlen (Hounsfield, 1973). Hierbei würde es nämlich zu einer Aufsummierung der linearen Schwächungs-koeffizienten aller verschieden dichter Bereiche im Strahlengang durch die Probe kommen, so daß am Detektor nur ein Durchschnittswert für den kompletten Strahlengang gemessen würde. Als Darstellung würde man die zweidimensionale Projektion eines dreimensionalen Körpers ohne räumliche Information erhalten. Nur für homogene Körper gilt die direkte Abhängigkeit des linearen Schwächungs-koeffizienten von der Ausgangsintensität der Strahlung und der Dicke der durchstrahlten Schicht nach der Beziehung:

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(I=Intensität des abgeschwächten Strahls, I0=Intensität des ursprünglichen Strahls, μ=Linearer Schwächungskoeffizient der durchstrahlten Materie, D=Dicke der durchstrahlten Schicht).

Für inhomogene Körper stellt sich diese recht einfache Beziehung komplizierter dar:

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Hierbei drücken die einzelnen mit dem Index i versehenen Elemente der durchstrahlten Schicht eine inhomogene Material- und Dichteverteilung aus, deren Positionierung jedoch durch die Aufsummierung verlorengeht (Abb. 13).

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Abb. 13: Definition des Schwächungskoeffizienten (Zonnefeld)

Um jetzt genau diese Positionierung erfassen zu können, wird ein und dieselbe Schicht der Probe unter beliebig vielen Winkeln vermessen und die einzelnen Schwächungsprofile miteinander verrechnet. Diese Mehrfachvermessung einer Schicht wird technisch entweder durch die Rotation eines starren Strahlungsquellen-Detektor-Systems um die Probe (medizinische Tomographen) oder durch die Rotation der Probe im Strahlengang erreicht.

Ein einfaches Beispiel sei im folgenden erläutert:

Eine Probe mit einem in einer relativ homogenen Matrix eingeschlossenen Fremdkörper größerer Dichte wird von dem CT aus einer Position gescannt (Abb. 14 a).

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Abb. 14 a: Erster Scan und resultierendes Schwächungsprofil

Die am Detektor gemessene Strahlungsintensität wird bei der Auswertung dahingehend interpretiert, daß eine geringere Schwächung im Bereich der Probenmatrix und eine stärkere Schwächung im Bereich des Schattens des Fremdkörpers vorliegt. Da dieser Fremdkörper aber prinzipiell auf jedem Punkt der Schattenbahn liegen könnte, wird im Abschwächungsprofil die Gesamt-abschwächung über diese komplette Schattenbahn aufgetragen, was in obiger Darstellung als erhabener Balken dargestellt ist.

Wird nun die Probe unter einem um 90o veränderten Winkel gescannt (Abb. 14 b), so ergibt sich ein zweites Schwächungsprofil, das zwar die Schattenbahn des Fremdkörpers an einer anderen Stelle zeigt, ansonsten für sich genommen aber auch nicht aussagekräftiger ist.

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Abb. 14 b: Zweiter, um 90o versetzter Scan und resultierendes Schwächungsprofil

Erst über die Addition beider Schwächungsprofile läßt sich, ähnlich einer Kreuzpeilung, die Position des Fremdkörpers innerhalb der Matrix ermitteln (Abb. 14 c).

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Abb. 14 c: Aufsummierung der Einzelprofile und resultierendes Gesamtprofil

Nun läßt dieses Gesamtprofil zwar schon Rückschlüsse auf die räumliche Orientierung des Fremdkörpers zu, über seine genaue Form können jedoch nur unzureichende Aussagen gemacht werden. Zudem sind immer noch Bereiche der homogenen Matrix als „potentiell dichter“ markiert, nämlich genau im Schattenbereich des Fremdkörpers, obwohl sie der Umgebungsdichte entsprechen.

Um also sowohl diese Ungenauigkeiten zu eliminieren, als auch die Form des Fremdkörpers genau zu erfassen, wird die Probe sukzessive unter veränderten Winkeln gescannt und die entstehenden Schwächungsprofile zu einem Gesamtprofil verrechnet. . Die einzelnen Schritte dieser Inversionsrechnung, auch Rückprojektion genannt, sollen später erläutert werden, zunächst soll aber das am Lehrstuhl für Ingenieurgeologie und Hydrogeologie (LIH) verwendete CT-Gerät beschrieben werden.

3.4.2 Röntgen-Computertomograph des Lehrstuhls für Ingenieur- und Hydrogeologie (LIH)

Der am LIH verwendete Computertomograph ist ein für die Werkstoffprüfung konzipiertes Gerät, bei dem die zu untersuchende Probe drehbar und in der Höhe variabel zwischen dem starren System aus Strahlenquelle und Detektor eingebaut werden kann (Abb. 15).

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Abb. 15: Prinzip der Röntgencomputertomographie (Mende, 1996)

Bautechnisch bedingt ist die Probengröße hierbei auf ca. 4cm im Durchmesser und 12cm in der Höhe beschränkt. Zur Durchstrahlung wird die Probe durch ein Spannfutter fest mit dem Drehteller verbunden, der durch einen Schrittmotor in bestimmten Intervallen (entspricht der „Belichtungszeit“ für jede Einzelaufnahme, üblicherweise 500ms) um einen bestimmten Winkel (üblicherweise ca. 1,07o, entspricht 336 Winkelstellungen pro gescannter Schicht) gedreht wird. Nach dem kompletten scannen einer Schicht wird der Drehteller in seine Ausgangslage zurückgefahren und über eine Hubschnecke vertikal um einen bestimmten Betrag (je nach Anforderung zu variieren, üblicherweise 1mm) abgesenkt, um die nächste Schicht zu scannen. Den schematischen Aufbau des Tomographen zeigen Abb. 16 und 17, die Anlage selber ist in Abb. 18 und 19 dargestellt.

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Abb. 16: Komponenten der Anlage (Ibs von Seht, 1996)

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Abb. 17: Komponenten des eigentlichen Tomographen (Ibs von Seht, 1996)

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Abb. 18: Komplette Anordnung der Anlage

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Abb. 19: Die einzelnen Komponenten im Vollschutzgehäuse

Als Strahlenquelle dient eine Röntgenröhre „160 MM-2“ der Firma Seifert mit einem Brennfleck von 0,2 * 0,2mm, von dem der Strahlungsfächer mit einem Öffnungs-winkel von ca. 40o ausgeht. Die maximale Beschleunigungsspannung wird mit 160kV bei einem Röhrenstrom von 2mA angegeben, die Standardeinstellungen liegen bei 140kV und 2mA. Bei dem Detektor handelt es sich um eine tangential beleuchtete Linienkamera der Firma IBEX-Radiographiesysteme (Abb. 20).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 20: Aufbau des Detektors im Tomographen des LIH (IBEX-Radiographiesysteme)

Zur Ausfilterung störender Streustrahlung wird der ankommende Strahlungsfächer zunächst durch einen Kollimator auf eine vertikale Ausdehnung von 150µm abgeblendet, um dann auf einen Leuchtschirm von einem Zoll Breite zu treffen. Die auf diesem Leuchtschirm durch die auftreffende Strahlung erzeugten Lichtblitze werden über einen Glasfaserkoppler an ein Photodiodenfeld weitergeleitet, um dort von 256 Photodioden im Abstand von 0,1mm in einen meßbaren elektrischen Impuls umgewandelt zu werden.

3.4.3 Entstehungsschritte eines Tomogramms

1. Schritt: Sinogramm

Die am Detektor gemessenen Impulsintensitäten werden an einen Rechner weitergeleitet und dort von dem Programm „msino8“ als Sinogramm abgespeichert. Den jeweiligen Fortschritt des Scans kann man anhand der Bildschirmausgabe dieses Sinogramms verfolgen (Abb. 21).

In der obersten Bildschirmzeile tauchen dabei scanspezifische Daten wie Anzahl der Winkelstellungen, momentan bearbeitete Schicht, momentaner Durchlauf, Dateiname und Belichtungszeit auf. Die eigentliche Meßwertdarstellung ist auf das weißumrahmte Bildschirmfenster beschränkt. Hier ist die horizontale Ausdehnung des Fensters in 256 Einzelfelder unterteilt, die die an den 256 Dioden gemessenen Strahlungsintensitäten repräsentieren.

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Abb. 21: Beispiel eines Sinogramms

Rot markierte Bereiche stellen dabei geringe Intensitäten, also größere Strahlungsabschwächung durch dichtere Probenbereiche dar, während größere Intensitäten durch heller werdende Grautöne dargestellt werden. In vertikaler Richtung gesehen gibt somit jede einzelne Bildschirmzeile das gemessene Schwächungsprofil für eine Winkelstellung an. Die Schwächungprofile der nächsten Winkelstellungen werden in den folgenden Bildschirmzeilen dargestellt. Aus dieser Darstellungsmethode leitet sich auch der Name „Sinogramm“ her: Die Spur eines dezentral in einer homogenen Probe eingeschlossenen Fremdkörpers würde durch die Rotation der Probe zunächst bis zu einem Maximalwert nach außen wandern, dann wieder nach innen laufen, bis das entgegengesetzte Maximum erreicht ist, um schließlich zu seinem Ausgangspunkt zurückzukehren. Horizontal untereinander-geschrieben ergibt diese Spur eine Sinuskurve (Abb. 22).

Die Rohdaten eines jeden Scans liegen somit in Sinogrammform vor und werden zur weiteren Bearbeitung an einen Rechner weitergeleitet. Die Sinogramm-Dateien werden in der Form <scan-name>.s01 abgespeichert, wobei die Ziffern im Suffix die jeweilige durchlaufende Schichtnummer des Scans <scan-name> angeben.

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Abb. 22: Entstehung eines Sinogramms: Durchstrahlung einer Probe in fünf verschiedenen Winkel- stellungen und graphische Darstellung der sinusförmigen Spur eines Fremdkörpers

2. Schritt: Grid-File

In diesem Schritt werden die Sinogramme durch das Programm „do_all2“ in einer rechenintensiven Inversionsrechnung in zweidimensionale Schichtbilder der Probe umgewandelt. Dabei wird zunächst die durchstrahlte Schicht („Objektschicht“) mit der Kantenlänge L, der Grundfläche L² und der Schichtdicke S in ein Raster aus einzelnen Volumenelementen („Voxels“, in Anlehnung an die Bezeichnung „Pixels“ für einzelne Bildpunkte) zerlegt. Diese Voxels sind die kleinsten noch auflösbaren Volumenelemente der Objektschicht, ihre Größe wird durch gerätespezifische Konstanten bestimmt. So ist die vertikale Auflösung, also die Höhe der Voxels, am Gerät des LIH durch den Abstand der Kollimatoren vor dem Detektor mit 0,15mm und die horizontale Auflösung, also die Kantenlänge der Voxelfläche, durch den Abstand der einzelnen Photodioden mit 0,1mm festgelegt. Für jedes Volumen-element wird nun ein Schwächungskoeffizient berechnet. Da sich aber innerhalb eines Volumenelementes Materialien verschiedener Dichte befinden können, stellt dieser Wert einen Mittelwert dar. Objekte, deren Abmessungen unterhalb der Auflösungsgrenze liegen, können somit gänzlich unentdeckt bleiben (Schulz, 1984). Die errechneten Abschwächungskoeffizienten für jedes Volumenelement werden anschließend in einer Speichermatrix abgelegt, deren Tiefe t angibt, wieviele unterschiedliche Werte (2t) für die Abschwächungkoeffizienten unterschieden werden können. Bei dem am LIH verwendeten 8-bit-Rechner sind dies also 28=256 verschiedene Werte. Bei der graphischen Darstellung der in der Speichermatrix gespeicherten Werte wird jedem Speicherelement wieder ein Bildelement (Pixel) zugeordnet, wobei der Abschwächungskoeffizient durch eine von 256 Graustufen dargestellt wird. Die Umwandlung von Objektmatrix in Speicher- und schließlich Bildmatrix zeigt Abb. 23.

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