Rekordschnelle Tomoskopie
Hochgeschwindigkeits-Aufnahmen mit Mikrometer-Auflösung liefert 3D-Bilder von Materialproben.
Für die Materialanalyse oder bei der Entwicklung von neuen funktionalen Materialien ist die zerstörungsfreie Qualitätsprüfung sehr nützlich. Um solche Materialien mit hoher räumlicher Auflösung und in kürzester Zeit zu untersuchen, ist allerdings das besonders intensive Röntgenlicht einer Synchrotronlichtquelle erforderlich. Im Synchrotronlicht lassen sich sogar schnelle Veränderungen und Prozesse in Materialproben abbilden, wenn es gelingt, dreidimensionale Bilder in sehr kurzer zeitlicher Abfolge aufzunehmen.
Daran arbeitet ein HZB-Team um Francisco Garcia Moreno zusammen mit Kolleginnen und Kollegen von der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am Paul-Scherrer-Institut (PSI), Schweiz, schon seit Jahren. Vor zwei Jahren schafften sie einen Rekordwert von 200 Tomogrammen pro Sekunde. Die Methode der schnellen Bildgebung bezeichnet man als Tomoskopie. Nun hat das Team einen neuen Weltrekord erreicht: Mit 1000 Tomogrammen pro Sekunde können sie jetzt noch schnellere Prozesse in Materialien oder bei ihrer Herstellung festhalten. Das gelingt ohne große Abstriche bei den sonstigen Parametern: Die räumliche Auflösung ist weiterhin sehr gut und liegt bei einigen Mikrometern, das Sichtfeld beträgt mehrere Quadratmillimeter und kontinuierliche Aufnahmezeiträume bis zu einigen Minuten sind möglich.
Für die Röntgenaufnahmen wird die Probe auf einem selbst entwickelten Hochgeschwindigkeits-Rotationstisch platziert, dessen Winkelgeschwindigkeit perfekt mit der Aufnahmegeschwindigkeit der Kamera synchronisiert werden kann. „Bei diesem Drehtisch haben wir besonders leichte Komponenten eingesetzt, so dass er 500 Mal pro Sekunde um die eigene Achse drehen kann und dabei trotzdem stabil bleibt“, erläutert García Moreno.
An der auf zeitaufgelöste Röntgenbildgebung spezialisierten TOMCAT-Beamline an der SLS hat der PSI-Physiker Christian Schlepütz eine neue Hochgeschwindigkeitskamera und eine besondere Optik eingesetzt. „Dadurch erhöht sich die Empfindlichkeit sehr deutlich, so dass wir in einer Millisekunde 40 2D-Projektionen aufnehmen können, aus denen wir dann je ein Tomogramm erstellen“, erklärt Schlepütz. Somit entsteht ein 3D-Bild pro Millisekunde, also 1000 3D-Bilder pro Sekunde. Mit dem geplanten SLS2.0 Upgrade sollen ab dem Jahr 2025 sogar noch schnellere Messungen mit höherer räumlicher Auflösung möglich werden.
Die Erfassung von 1000 dreidimensionalen Datensätzen pro Sekunde - und das über Minuten hinweg – erzeugt einen gewaltigen Datenstrom, der zunächst am PSI gespeichert wurde. Für die weitere Verarbeitung und quantitative Auswertung der Daten war schließlich Paul Kamm am HZB zuständig. Die Rekonstruktion der Rohdaten zu 3D-Bildern wurde per Fernzugriff vom HZB auf den Hochleistungsrechnern am PSI durchgeführt, und die Resultate danach für die weiterführende Analyse ans HZB transferiert.
Die Leistungsfähigkeit der Tomoskopie demonstrierte das Team an verschiedenen Beispielen aus der Materialforschung: Die Aufnahmen zeigen die extrem schnellen Veränderungen beim Abbrennen einer Wunderkerze, die Bildung von Dendriten beim Erstarren von Gusslegierungen oder das Wachstum und die Koaleszenz von Blasen in einem flüssigen Metallschaum. Solche Metallschäume auf Basis von Aluminumlegierungen werden als Leichtbaumaterialien untersucht, zum Beispiel für den Bau von Elektroautos. Auf Morphologie, Größe und Vernetzung der Bläschen kommt es an, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und Steifigkeit in großen Bauteilen zu erreichen.
„Diese Methode öffnet eine Tür für die zerstörungsfreie Untersuchung von schnellen Prozessen in Materialien, darauf haben viele Forschungsgruppen und auch die Industrie gewartet,“ sagt García Moreno.
HZB / DE
