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Berührungslose Messung von Phasen- und Konzentrationsverteilungen in Blasensäulen mit positronenemittierenden Radionukleiden

Förderung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft vom 1.1.1998 bis 31.12.2002 unter dem Kennzeichen DFG PR488/5-1/2

Zielstellung/Abstract

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist eine etablierte Methode zur Untersuchung von Stoffwechselvorgängen in Menschen und Tieren. Sie stellt ebenfalls ein interessantes Messverfahren zum Nachweis und zur Quantifizierung von Stoffen geringer Konzentration in verfahrenstechnischen Prozessen, z. B. bei in Reaktionsgefäßen ablaufenden Stoffumwandlungs- und Stoffvermischungsvorgängen dar. Einerseits gelingt durch Markierung der zu untersuchenden Substanzen mit positronenemittierenden Isotopen eine sehr spezifische Untersuchung solcher Prozesse, andererseits ist die durch Annihilation erzeugte hochenergetische Gammastrahlung leicht in der Lage, auch dicke, undurchsichtige Behälterwände zu durchdringen.
Dieses Projekt beschäftigt sich mit einer nichtmedizinischen Anwendung dieses bildgebenden Verfahrens – dem Aufbau und der Anwendung eines PET-Tomographen zur Untersuchung des Verhaltens von Schaum in Blasensäulen, dem Versuchsstand SCHAUMPET. Am Beispiel von Natriumhexanoat wird gezeigt, dass sich die Anreicherung eines Tensids in einer Schaumschicht mit Hilfe der Positronen-Emissions-Tomographie nachweisen lässt.
Experimentell verifizierte Modelle, die das Gesamtverhalten einer transienten Blasensäule unter Einbeziehung der Schaumzone beschreiben, sind bisher nicht verfügbar. Im Hinblick auf den Austrag von Teilen der Flüssigphase aus Anlagenkomponenten bei schnellen Transienten besitzt der dynamische, feuchte Schaum eine besondere Bedeutung. Die Phasengrenzfläche ist hierbei in der Regel nicht vollständig mit Tensid gesättigt. Bei Begasung der Säule bzw. beim Einsetzen von Ausdampf- oder Abgasprozessen ist mit einer makroskopischen Umverteilung zu rechnen, die ein axiales Konzentrationsprofil zur Folge hat. Dies wurde bisher experimentell nicht untersucht. Durch die Anwendung von PET-Techniken können die Umverteilungsprozesse sowohl der Flüssigphase als auch der oberflächenaktiven Komponente in Blasensäulen mit Schaumbildung in-situ beobachtet werden.

Materialien und Methoden

Zum Aufbau des Versuchsstandes wurden Teile eines ausgesonderten medizinischen PET-Tomographen (Positome III p) verwendet. Insgesamt 128 Detektoren des ausgesonderten Tomographen wurden mit ihren Vorverstärkern auf 8 Ringen zu jeweils 16 Detektoren neu angeordnet. In diese 8 Ringe wurden Bleiringe zur Abschirmung integriert, um bei Bedarf auch mit PET-Tracern höherer Aktivität experimentieren zu können. Die 8 Detektorringe lagern auf einem fahrbaren Gestell aus Aluminium-Profilen. Dieses Gestell enthält außer den Detektorringen das Untersuchungsobjekt in Form einer transparenten Blasensäule. Diese kann nach ihrer Befüllung mittels eines Schrittmottors im Objektvolumen des Detektoraufbaus millimetergenau positioniert werden.
Die verwendeten Szintillationsdetektoren bestehen aus einem Wismutgermanat-Kristall (Bi4Ge3O12) und einem Photomultiplier. Für die Detektoren wurde eine neue Vorverstärkereinheit mit integriertem Trigger entwickelt. Nach der Umformung der Ausgangsimpulse der Photomultiplier in digitale Signale gelangen diese über einen Pegelkonverter in die Koinzidenzeinheit auf Basis von FPGA-Schaltkreisen, die bei Bedarf eine Rekonfiguration der Koinzidenzlogik in kurzer Zeit gestattet. Zur Steuerung des PET-Tomographen und zur Datenaufzeichnung stand ein PC mit einer selbst entwickelten Mess- und Steuerungssoftware zur Verfügung.
  Foto des Gerätes

Die Untersuchungen wurden in horizontalen und vertikalen Schnitten durch das Objekt (Blasensäule) vorgenommen. Als strahlende Objekte oder Medien dienen

  • eine nahezu punktförmige Quelle (22Na) zur Kalibrierung,
  • mit PET-Tracer markiertes Wasser, in das zu Vorversuchen verschiedene Verdrängungskörper (Stahlrohr, PVC-Rohr) eingesetzt wurden sowie
  • tracermarkierter Schaum, erzeugt durch im Wasser aufsteigende Luftblasen.

Für die tomographische Bildrekonstruktion wird das analytische Verfahren der gefilterten Rückprojektion in einer speziell angepassten Form mit einem zweidimensionalen Frequenzbereichs-Rampenfilter verwendet.

Ergebnisse

Es wurden Versuchsreihen zum Nachweis der Tensidanreicherung in der Schaumzone der Blasensäule mittels PET durchgeführt. Diese Versuchsreihen zeigen die Tensidanreicherung sehr deutlich. Bei Markierung des Natriumhexanoats mit 11C wird die Anreicherung des Tensids im Bereich der Schaumzone (4.-6. Ring) deutlich erkennbar.
Im Bild (rechts) ist die Verteilung der Koinzidenzen über die einzelnen Detektorringe (Ring 1 unten - Ring 6 oben) dargestellt. Bei dieser Messung ist die Blasensäule zu Beginn der Begasung bis zum vierten Ring mit Wasser gefüllt. Ab einer Begasung von 300 l/h tritt eine Schaumbildung und damit eine Anreicherung der oberflächenaktiven Komponente in der Schaumzone auf, die mit wachsendem Gasvolumenstrom zunimmt. Dabei verschiebt sich aufgrund der Vergrößerung des Gesamtvolumens das Maximum hin zu höheren Ringen.
  Diagramm

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