Contact

Dr. Johanna Lippmann-Pipke
Head Reactive Transport
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Katrin Gerstner
Secretary Neuroradiopharmaceuticals
Secretariat / Research Site Leipzig
k.gerstnerAthzdr.de
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GeoPET

A PET image from the Staßfurt project.

Eine mit [18F]KF versetzte Salzlösung bewegt sich auf Rissen in einem mechanisch beanspruchten, ca. 10 cm langen Steinsalzborhkern (Fließrichtung ist von rechts nach links), Staßfurt-Projekt

Die GeoPET-Methode wird seit mehr als 10 Jahren in der Abteilung Reaktiver Transport des HZDR  entwickelt.

GeoPET ermöglicht die direkte, zerstörungsfreie, quantitative raum-zeitliche Visualisierung (reaktiver) Transportprozesse in undurchsichtigen Medien / natürlichen geologischen Medien auf Bohrkernskala [1-7]. Prinzipiell ist die Positronen Emissionstomographie (PET) ein nuklearmedizinisches bildgebendes Verfahren, das sich durch höchste Sensitivität und Selektivität gegenüber Positronen-emittierenden PET-Radionukliden auszeichnet. Unsere langjährigen Methodenentwicklungen zielen auf die optimierte Anwendung dieser Technik in geologischen Systemen. Die hohe Sensitivität gegenüber PET-Nukliden auch in Gesteinen ermöglicht die Beobachtung (reaktiver) Transportprozesse ohne störende physikalische oder chemischer Einflüsse in relevanten raum-zetilichen Intervallen. Grundvoraussetzung für das Erreichen der physikalischen Grenze der räumlichen Bildauflösung von ~ 1 mm ist eine hochauflösende PET-Kamera, wie z.B. unser ClearPET Scanner (Fa. Raytest).

A PET image from the Staßfurt project.

Links: Skizze der GeoPET-Methode.
Rechts: Propagierender PET Tracer in einem geklüfteten Sandstein, Staßfurt-Projekt

In einem typischen GeoPET-Versuch wird der PET-Tracer (ein mit einem Positronenstrahler markierter Stoff) in den Probenkörper injiziert - wie in einem konventionellen Säulenversuch auch. Die emittierten Positronen bewegen sich etwa  1 mm weit durch das Material, bevor sie stark genug abgebremst sind, um mit einem Elektron zu annihilieren. Bei dieser Massevernichtung entstehen zwei Photonen mit einer Energie von je 511 keV, die sich in entgegengesetzter Richtung voneinander wegbewegen. Werden zwei Photonen von Szintillator-Kristallen des Detektorrings koinzident (quasi zeitgleich) erfasst, werden sie als Photonenpaar erkannt. Zwischen den Detektoren, die bei der Paarerkennung beteiligt waren, wird eine Linie rekonstruiert (LOR, Line-of-Response). An Kreuzungspunkten solcher Linien befinden sich demnach meßbare PET-Nuklidmengen. Nach 1 bis 60 min, je nach Aktivität im Bildfeld des Detektorrings (FOV, Field-of View), sind genug gültige Photonenpaare (Koinzidenzen, ca. 107) erfasst worden, um die PET-Tracerverteilung raum-zeitlich rekonstruieren zu können. Die gesuchte Tracerkonzentrationsverteilung C(x,y,z,t) kann nun im Zuge umfangreicher Datenauswertung bestimmt werden.

Gegenüber konventionellen Säulenversuchen erlaubt GeoPET einen detaillierten Einblick in Art und Geschwindigkeit von Transportprozessen und liefert Parameter wie effektive Porositätsverteilung, Ermöglicht die Beobachtung des Ausbildens präferentieller Fließpfade, ermöglicht das Abschätzen der transportwirksam erreichbaren inneren Oberfläche.


Was ist PET?

Ein Bohrkern wird in den ClearPET-scanner geschoben.

Ein Bohrkern wird in den ClearPET-scanner geschoben. In den 20 Kassetten befinden sich je vier 8x8 Detektoren aus Szintillatorkristallen und Photomultipliern.

Positronenzerfall und Gamma-Detektion

Positronenzerfall und Gamma-Detektion

PET-Scanner wurden ursprünglich für den medizinischen Einsatz entwickelt. Unser institutseigener Scanner ist ein für die medizinische Forschung entwickelter Kleintierscanner (ClearPET, Raytest). Wir nutzen den Scanner ausschließlich zur Untersuchung von Geomaterialien und profitieren dabei von dessen kleiner Öffnungsweite (13–21 cm), die es erlaubt, die physikalisch maximal-mögliche Auflösung von etwa 1 mm tatsächlich auszuschöpfen (im Vergleich dazu liegt das Auflösungsvermögen humanmedizinischer Scanner bei 3-5 mm). PET hat eine Sensitivität von rund 107 Tracer-Atomen/µl (bei einem angenommen Detektionslimit von 1 kBq/mm3) – mehrere Größenordnungen besser als CT und MRT.


Abgleich experimenteller Daten mit numerischer Modell-Simulation

Matching GeoPET observations with numerical model simulations

Ergebnisse der 3D-Simulation von Diffusion/Absorption in Ton (Links, Mitte) im Vergleich mit experimentellen GeoPET-Daten (Rechts: Isolinien=Simulation, farbkodiert=Experiment [6,7])

Aktuelle Arbeiten befassen sich mit dem Abgleich experimenteller GeoPET-Ergebnisse mit Simulationen in COMSOL Multiphysics. Wir nutzen die aktuelle Version 5.0 dieser Finite-Elemente-basierten Simulationssoftware unter anderem zur inversen Modellierung ausgewählter GeoPET-Experimente, beispielsweise um die räumlich-zeitliche Konzentrationsverteilung in einem Ton-Bohrkern mittels der Differentialgleichung für anisotrope Diffusion und Adsorption zu reproduzieren. Durch Import der GeoPET-Bilder verschiedener Zeitschritte und Anwendung des Optimierungsmoduls (Least-Square-Fit mittels Levenberg-Marquardt-Algorithmus) konnten wir auf effiziente Weise den optimalen Wert für die Modellparameter (hier: den Diffusionstensor) ermitteln. Parallel dazu wird mittels Parameter-Sweep eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt [8-10].


Fokus

Wir konzentrieren uns auf die Untersuchung (reaktiver) Transportprozesse in heterogenem geologischem Material mittels Radiotracern. Unsere Tätigkeiten dienen dabei zwei Themenschwerpunkten im Fachbereich Energie:


Publications

  • [1] Richter, M., et al., Positron Emission Tomography for modelling of geochmical transport processes in clay. Radiochim. Acta, 2005. 93: p. 643-651.
  • [2] Gründig, M., et al., Tomographic radiotracer studies of the spatial distribution of heterogeneous geochemical transport processes. Appl.Geochem., 2007. 22: p. 2334-2343.
  • [3] Kulenkampff, J., et al., Evaluation of positron emission tomography for visualisation of migration processes in geomaterials. Phys. Chem. Earth, 2008. 33: p. 937-942.
  • [4] Wolf, M.: Visualisation and quantification of fluid dynamics in drilling cores from the salinar and overburden of the area of Staßfurt by means of positron emission tomography PhD thesis, Leipzig University, Germany, 2011
  • [5] Zakhnini, A., et al.: Monte Carlo simulations of GeoPET experiments: 3D images of tracer distributions 18F, 124I and 58Co in Opalinus Clay, anhydrite and quartz. doi:10.1016/j.cageo.2013.03.023 Comp. Geosci., 57, 183-196
  • [6] Barth, T., et al.: Positron emission tomography in pebble beds. Part 1: Liquid particle deposition. Nucl. Engin. Design, 267 (2014) 218-226
  • [7] Barth, T., et al.: Positron emission tomography in bebble beds. Part 2: Graphite particle desposition and resuspension. Nucl. Engin. Desing, 267 (2014) 227-237
  • [8] Schikora, J., Simulation of diffusion-adsorption processes in natural geological media by means of COMSOL Multiphysics, in Faculty of mechanical Science and Engineering. 2012, Dresden Technical University: Dresden, Germany. p. 95.
  • [9] Schikora, J., Kulenkampff, J., Gründig, M., Lippmann-Pipke, J. Modelling and simulation of GeoPET experiments with COMSOL Multiphysics. Geophysical Reasearch Abstracts. EGU2012-10965
  • [10] R. Gerasch, J. Kulenkampff, J. Lippmann-Pipke: Parameter Estimation of anisotropic diffusion in Clay with COMSOL Multiphysics
    COMSOL Conference 2014, 17.-19.09.2014, Cambridge UK