Weltrekord: Schnellste 3D-Tomographien an BESSY II

Grau sind die Alu-Granulate dargestellt, bunt die Poren. Wie sich diese Poren mit der Zeit vergrößern, zeigt die Serie von 3D-Tomographien.

Grau sind die Alu-Granulate dargestellt, bunt die Poren. Wie sich diese Poren mit der Zeit vergrößern, zeigt die Serie von 3D-Tomographien. © HZB

Der Aufbau besteht aus einem Rotationstisch, einer Heizlampe (bis  800 °C), optischen Elementen sowie der CMOS-Kamera. Eingezeichnet sind einfallende (rot) und durchgelassene (grün) Röntgenstrahlen sowie der Lichtweg vom Szintillator zur Kamera (blau).

Der Aufbau besteht aus einem Rotationstisch, einer Heizlampe (bis 800 °C), optischen Elementen sowie der CMOS-Kamera. Eingezeichnet sind einfallende (rot) und durchgelassene (grün) Röntgenstrahlen sowie der Lichtweg vom Szintillator zur Kamera (blau). © HZB

Ein HZB-Team hat an der EDDI-Beamline an BESSY II einen raffinierten Präzisions-Drehtisch entwickelt und mit einer besonderen, schnellen Optik kombiniert. Damit konnten sie die Porenbildung in Metall-Körnern während des Aufschäumens mit 25 Tomographien pro Sekunde dokumentieren – ein Weltrekord.

Die Qualität vieler Werkstoffe hängt vom Herstellungsprozess ab. So spielt beim Gießen oder Schweißen eine Rolle, wie rasch die Schmelze erstarrt. Auch bei metallischen Schäumen kommt es darauf an, wie das Aufschäumen abläuft. Um diese Prozesse zu beobachten, sind besonders schnelle Untersuchungen nötig. Die bisher schnellsten 3D-Tomographien sind nun an der Röntgenquelle BESSY II gelungen, die das Helmholtz-Zentrum Berlin betreibt.

Das Team um Dr. Francisco Garcia-Moreno hat einen Drehtisch konstruiert, der sich ultrastabil mit konstanter Rotationsgeschwindigkeit um seine Achse dreht. Dabei kommt es wirklich auf höchste Präzision an: Jedes Taumeln um die Drehachse oder selbst minimale Abweichungen bei der Drehgeschwindigkeit würden die zuverlässige Berechnung der 3D-Tomographie verhindern. Während kommerziell erhältliche Lösungen einige hunderttausend Euro kosten und bis zu 20 Tomographien pro Sekunde ermöglichen, konnten die Berliner Physiker eine deutlich günstigere Lösung entwickeln, die noch dazu schneller ist. „Meine beiden Doktoranden an der Technischen Universität Berlin haben die Probenhalter selbst an der Drehmaschine angefertigt“, sagt Garcia-Moreno, der knifflige technische Lösungen nicht nur gern austüftelt, sondern auch selbst handwerkliches Geschick besitzt. Weitere Teile wurden in der HZB-Werkstatt produziert. Außerdem hatten Garcia-Moreno und seine Kollegin Dr. Catalina Jimenez schon im Vorfeld dieser Arbeit eine Spezial-Optik für die schnelle CMOS-Kamera entwickelt, die sogar simultane Diffraktion erlaubt. Damit sind nun ca. 2000 Projektionen pro Sekunde möglich, aus denen insgesamt 25 dreidimensionale Tomographien erstellt werden können.

Als erstes Beispiel untersuchte das Team Körnchen aus Aluminiumlegierungen, die beim Erhitzen zu einem Metallschaum werden. Dafür montierten sie eine leistungsstarke Infrarotlampe über dem Metallgranulat und erhitzten die Probe auf etwa 650 Grad Celsius. Alle 40 Millisekunden entstand eine komplette 3D-Tomographie mit einer Ortsauflösung von 2,5 Mikrometern (Pixelgröße). Die insgesamt knapp 400 Tomographien ermöglichen es nun den Prozess mit hoher Zeitauflösung zu analysieren.

„Wir wollen besser verstehen und quantitativ analysieren, wie sich Poren in den Körnern bilden, ob sie auch Oberflächen erreichen und inwieweit dieser Prozess in verschiedenen Körnern unterschiedlich abläuft“ erklärt Garcia-Moreno. Dies ist eine praxisrelevante Frage, die auch die Industrie interessiert. Denn Granulate aus Metallverbindungen könnten beim Aufschäumen komplizierte Formen besser ausfüllen als Schäume, die aus einem Metallblock entstehen. Doch das Formteil wird nur dann belastbar sein, wenn sich beim Aufschäumen auch die Körner miteinander eng verbinden. Mit der an BESSY II entwickelten ultraschnellen 3D-Tomographie lässt sich dies genauso wie andere dynamische Prozesse nun sehr genau und zeitaufgelöst beobachten.

Da für das Upgrade von BESSY II zu BESSY VSR die EDDI-Beamline abgebaut werden muss, hat Garcia-Moreno Kontakt zu anderen Röntgenquellen aufgenommen und plant, diese Methode dort aufzubauen.

 

Zur Publikation im Journal of Synchrotron Radiation (2018): Time-resolved in-situ tomography for the analysis of evolving metal foam granulates; Francisco García-Moreno, Paul H. Kamm, Tillmann R. Neu & John Banhart

DOI: 10.1107/S1600577518008949

 

 

 

 

arö

  • Link kopieren

Das könnte Sie auch interessieren

  • Durchbruch: Erster Elektronenstrahl im SEALab bringt Beschleunigerphysik voran
    Nachricht
    03.04.2025
    Durchbruch: Erster Elektronenstrahl im SEALab bringt Beschleunigerphysik voran
    Weltweit zum ersten Mal hat das SEALab-Team am HZB in einem supraleitenden Hochfrequenzbeschleuniger (SRF Photoinjektor) einen Elektronenstrahl aus einer Multi-Alkali-Photokathode (Na-K-Sb) erzeugt und auf relativistische Energien beschleunigt. Dies ist ein echter Durchbruch und eröffnet neue Optionen für die Beschleunigerphysik.

     

  • Optische Innovationen für Solarmodule – Was bringt den Ausbau am meisten voran?
    Science Highlight
    28.03.2025
    Optische Innovationen für Solarmodule – Was bringt den Ausbau am meisten voran?
    Im Jahr 2023 erzeugten Photovoltaikanlagen weltweit mehr als 5% der elektrischen Energie und die installierte Leistung verdoppelt sich alle zwei bis drei Jahre. Optische Technologien können die Effizienz von Solarmodulen weiter steigern und neue Einsatzbereiche erschließen, etwa in Form von ästhetisch ansprechenden, farbigen Solarmodulen für Fassaden. Nun geben 27 Fachleute einen umfassenden Überblick über den Stand der Forschung und eine Einschätzung, welche Innovationen besonders zielführend sind. Der Bericht, der auch für Entscheidungsträger*innen in der Forschungsförderung interessant ist, wurde von Prof. Christiane Becker und Dr. Klaus Jäger aus dem HZB koordiniert.
  • Katalyseforschung mit dem Röntgenmikroskop an BESSY II
    Science Highlight
    27.03.2025
    Katalyseforschung mit dem Röntgenmikroskop an BESSY II
    Anders als in der Schule gelernt, verändern sich manche Katalysatoren doch während der Reaktion: So zum Beispiel können bestimmte Elektrokatalysatoren ihre Struktur und Zusammensetzung während der Reaktion verändern, wenn ein elektrisches Feld anliegt. An der Berliner Röntgenquelle BESSY II gibt es mit dem Röntgenmikroskop TXM ein weltweit einzigartiges Instrument, um solche Veränderungen im Detail zu untersuchen. Die Ergebnisse helfen bei der Entwicklung von innovativen Katalysatoren für die unterschiedlichsten Anwendungen. Ein Beispiel wurde neulich in Nature Materials publiziert. Dabei ging es um die Synthese von Ammoniak aus Abfallnitraten.