De meeste mensen zijn bekend met computertomografie uit de geneeskunde:een deel van het lichaam wordt van alle kanten geröntgend en vervolgens wordt een driedimensionaal beeld berekend, waaruit eventuele doorsnedebeelden kunnen worden gemaakt voor diagnose.

Deze methode is ook erg handig voor materiaalanalyse, niet-destructieve kwaliteitstesten of bij de ontwikkeling van nieuwe functionele materialen. Echter, om dergelijke materialen met een hoge ruimtelijke resolutie en in de kortst mogelijke tijd te onderzoeken, het bijzonder intense röntgenlicht van een synchrotronstralingsbron is vereist. In de synchrotronstraal, zelfs snelle veranderingen en processen in materiaalmonsters kunnen worden afgebeeld als het mogelijk is om in een zeer korte tijdreeks driedimensionale beelden te verkrijgen.

Van 200 tot 1000 tomogrammen per seconde

Een HZB-team onder leiding van Dr. Francisco Garcia Moreno werkt hieraan samen met collega's van de Swiss Light Source SLS van het Paul Scherrer Institute (PSI), Zwitserland. Twee jaar geleden, ze haalden een record van 200 tomogrammen per seconde, aanroepen van de methode van snelle beeldvorming tomoscopie. Nu heeft het team een ​​nieuw wereldrecord behaald:met een snelheid van 1000 tomogrammen per seconde, ze kunnen nu nog snellere processen in materialen of tijdens het fabricageproces vastleggen. Dit wordt bereikt zonder grote compromissen in de andere parameters:de ruimtelijke resolutie is nog steeds erg goed op enkele micrometers, het gezichtsveld is enkele vierkante millimeters en continue opnameperioden tot enkele minuten zijn mogelijk.

Draaitafel en hogesnelheidscamera

Voor de röntgenfoto's, het monster wordt op een in eigen huis ontwikkelde high-speed draaitafel geplaatst, waarvan de hoeksnelheid perfect kan worden gesynchroniseerd met de opnamesnelheid van de camera. "We hebben voor deze draaitafel bijzonder lichtgewicht componenten gebruikt, zodat deze stabiel een rotatiesnelheid van 500 Hertz kan bereiken, " legt García Moreno uit.

Bij de TOMCAT-bundellijn bij de SLS, die gespecialiseerd is in in de tijd opgeloste röntgenbeeldvorming, PSI-fysicus Christian Schlepütz gebruikte een nieuwe hogesnelheidscamera en speciale optica. "Dit verhoogt de gevoeligheid zeer aanzienlijk, zodat we 40 2D-projecties in één milliseconde kunnen maken, waaruit we een tomogram maken, " legt Schlepütz uit. Met de geplande SLS2.0-upgrade, vanaf 2025 moeten nog snellere metingen met een hogere ruimtelijke resolutie mogelijk zijn.

De gegevensstroom verwerken

De verwerving van 1000 driedimensionale datasets per seconde - en dit over een periode van minuten - genereerde een enorme datastroom, die aanvankelijk werd opgeslagen bij de PSI. Eindelijk, Dr. Paul Kamm van de HZB was verantwoordelijk voor de verdere verwerking en kwantitatieve evaluatie van de gegevens. De reconstructie van de onbewerkte gegevens naar 3D-beelden werd op afstand van HZB uitgevoerd op de krachtige computers van PSI, en de resultaten werden vervolgens overgebracht naar HZB voor verdere analyse.

sterretjes, dendrieten en bellen

Het team demonstreerde de kracht van tomoscopie met verschillende voorbeelden uit materiaalonderzoek:De beelden tonen de extreem snelle veranderingen tijdens het branden van een sterretje, de vorming van dendrieten tijdens het stollen van gietlegeringen of de groei en samensmelting van bellen in een vloeibaar metaalschuim. Dergelijke metaalschuimen op basis van aluminiumlegeringen worden onderzocht als lichtgewicht materialen, bijvoorbeeld voor de bouw van elektrische auto's. de morfologie, grootte en verknoping van de bellen zijn belangrijk om de gewenste mechanische eigenschappen zoals sterkte en stijfheid in grote componenten te bereiken.

"Deze methode opent een deur voor de niet-destructieve studie van snelle processen in materialen, dat is waar veel onderzoeksgroepen en ook de industrie op hebben gewacht, ", zegt García Moreno.