Быстрые 3D-изображения с синхротронным излучением
Этот метод также очень полезен для анализа материалов, неразрушающего контроля качества или при разработке новых функциональных материалов. Однако для исследования таких материалов с высоким пространственным разрешением и в кратчайшие сроки требуется особенно интенсивный рентгеновский свет источника синхротронного излучения. С помощью синхротронного луча можно отобразить даже быстрые изменения и процессы в образцах материалов, если можно получить трехмерные изображения за очень короткую временную последовательность.
От 200 до 1000 томограмм в секунду
Команда HZB во главе с доктором Франсиско Гарсиа Морено работает над этим вместе с коллегами из Swiss Light Source SLS в Институте Пауля Шеррера (PSI), Швейцария. Два года назад им удалось сделать рекордные 200 томограмм в секунду, назвав метод быстрой визуализационной томоскопии. Теперь команда достигла нового мирового рекорда: с 1000 томограмм в секунду они теперь могут записывать еще более быстрые процессы в материалах или во время производственного процесса.
Это достигается без каких-либо серьезных компромиссов в других параметрах: пространственное разрешение по-прежнему очень хорошее – несколько микрометров, поле зрения – несколько квадратных миллиметров, возможны периоды непрерывной записи до нескольких минут.
Поворотный стол и высокоскоростная камера
Для получения рентгеновских изображений образец помещается на высокоскоростной поворотный стол собственной разработки, угловая скорость которого может быть идеально синхронизирована со скоростью получения изображения камерой. «Мы использовали особо легкие компоненты для этого поворотного стола, чтобы он мог стабильно достигать скорости вращения 500 Гц», – объясняет Гарсия Морено.
На канале TOMCAT в SLS, который специализируется на получении рентгеновских изображений с временным разрешением, физик PSI Кристиан Шлепутц использовал новую высокоскоростную камеру и специальную оптику. «Это значительно увеличивает чувствительность, так что мы можем сделать 40 2D-проекций за одну миллисекунду, из которых мы создаем томограмму», – объясняет Шлепутц. С планируемым SLS2.0, с 2025 года станут возможны еще более быстрые измерения с более высоким пространственным разрешением.
Обработка потока данных
Сбор 1000 наборов трехмерных данных в секунду – и это в течение нескольких минут – генерирует огромный поток данных, который изначально хранился в PSI. Наконец, доктор. Пол Камм из HZB отвечал за дальнейшую обработку и количественную оценку данных. Реконструкция необработанных данных в трехмерные изображения проводилась удаленно из HZB на высокопроизводительных компьютерах PSI, а затем результаты передавались в HZB для дальнейшего анализа.
Бенгальские огни, дендриты и пузыри
Команда продемонстрировала возможности томоскопии на различных примерах из исследования материалов: изображения показывают чрезвычайно быстрые изменения во время горения бенгальского огня, образование дендритов во время затвердевания литейных сплавов или рост и коалесценцию пузырьков в жидкой металлической пене. Такие металлические пены на основе алюминиевых сплавов исследуются как легкие материалы, например, для изготовления электромобилей.
Морфология, размер и сшивка пузырьков важны для достижения желаемых механических свойств, таких как прочность и жесткость в крупных компонентах.
«Этот метод открывает двери для неразрушающего исследования быстрых процессов в материалах, чего ждали многие исследовательские группы, а также промышленность», – говорит Гарсия Морено.