Synchrotrontomographie und -radiographie

Mit modernen tomographischen Verfahren ist es möglich, das Innere eines Objekts abzubilden und zu untersuchen, ohne dieses zu beschädigen oder gar zu zerstören. Man erhält dabei ein vollständiges, dreidimensionales Bild der gesamten inneren Struktur. Erreicht wird dies, in dem das zu untersuchende Objekt aus unterschiedlichen Richtungen durchstrahlt, d.h. radiographiert, wird und diese Daten anschließend zu einem dreidimensionalen Datensatz zusammengesetzt werden. So entsteht ein räumliches Abbild im virtuellen Raum, welches an jeder Stelle nach belieben auseinander genommen, zerschnitten oder auf strukturelle oder chemische Veränderungen untersucht werden kann, ganz so als hätte man das reale Objekt vor sich.

Industrielle Anwendungen

Das Anwendungsfeld der Synchrotrontomographie ist sehr vielfältig und reicht von der rein strukturellen (z.B. Risse, Hohlräume, Einschlüsse in einem Material) bis hin zur chemischen Analyse (z.B. Verteilung unterschiedlicher chemischer Spezies). Beispiele für die Nutzung von Synchrotrontomographie sind:

  • Mikroelektronische Bauteile
  • Unterschiedliche Werkstoffe: Metalle, Verbundmaterialien
  • Analyse chemischer Bestandteile
  • Biologisches Material

Da das untersuchte Objekt unbeschädigt bleibt und seine volle Funktionsfähigkeit behält, können zeitliche Veränderungen an ein und demselben Objekt studiert werden. Dazu gehören strukturelle oder chemische Veränderungen, die erst nach einer gewissen Zeit durch Beanspruchung oder Benutzung entstehen. Zu jedem beliebigen Zeitpunkt lässt sich dabei der augenblickliche Zustand der Veränderung abbilden. Dies könnte z.B. die Entwicklung eines Risses, eine Deformation, ein chemischer Prozess oder der Transport von festen oder flüssigen Stoffen innerhalb des Objektes sein.

Vorteile gegenüber anderen Verfahren

Die Synchrotron-Tomographie und -Radiographie konnten durch die zunehmenden technischen Verbesserungen der letzten Jahre neue Maßstäbe bei der Detailtreue und Wiedergabequalität setzen. Mit dem Elektronen-Speicherring der dritten Generation BESSY, steht eine sowohl hinsichtlich ihrer Qualität als auch ihrer Strahlungsintensität extrem hochwertige Röntgenquelle zur Verfügung (Man spricht hier von Synchrotronstrahlung mit hoher Brillanz). Damit können selbst „schwierigste“ Materialien mit einer Qualität untersucht werden, die bislang kaum vorstellbar erschien.
Der gemeinsam mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) betriebene Messplatz nutzt dabei mit seinen leistungsfähigen technischen Komponenten die volle Bandbreite der Strahlenquelle aus, so dass räumliche Auflösungen von bis zu 3,5 µm möglich sind. Die Größe des untersuchten Objekts kann maximal 1,2 cm im Umfang und deutlich mehr in der Höhe betragen. Röntgentomographie mit Synchrotronstrahlung hat gegenüber der herkömmlichen Röntgentomographie folgende Vorteile:

  • Der extrem parallele Strahl erlaubt hohe räumliche Auflösungen.
  • Die hohe Intensität liefert sehr rauscharme Bilder in relativ kurzer Zeit.
  • Der Strahl kann monochromatisiert werden, was es erlaubt, auch die Elementzusammensetzung der Prüflinge räumlich aufgelöst zu bestimmen.
  • Die Durchstahlungsenergie kann variiert werden, was es ermöglicht, Objekte mit sehr unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten mit einer Messanordnung zu untersuchen.

Zusätzlich zur Synchrotron-Tomographie bietet das HZB die Möglichkeit Tomogramme mit Neutronenstrahlung zu erzeugen. Die einzigartigen Eigenschaften der Neutronenstrahlung bilden eine hervorragende Ergänzung zur Synchrotronstrahlung. Beide Strahlenarten verhalten sich gewissermaßen komplementär zueinander, da sie unterschiedliche Eigenschaften der untersuchten Materialien widerspiegeln. So sind mit Neutronenstrahlung Materialkontraste sichtbar, die mit Synchrotronstrahlung nicht zu finden sind und umgekehrt.