Neuer Weltrekord in der Materialforschung – Röntgenmikroskopie mit 1000 Tomogrammen pro Sekunde

Tomoskopie heißt die bildgebende Methode, in der in rascher Abfolge dreidimensionale Bilder aus dem Innern von Materialien errechnet werden. Nun hat ein Team um den HZB-Physiker Francisco García Moreno an der TOMCAT-Beamline der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am Paul-Scherrer-Institut einen neuen Weltrekord erreicht: Mit 1000 Tomogrammen pro Sekunde ist es nun möglich, sehr schnelle Prozesse und Entwicklungen in Materialien auf der Mikrometerskala zerstörungsfrei zu dokumentieren, etwa das Abbrennen einer Wunderkerze oder das Aufschäumen einer Metall-Legierung für die Herstellung von stabilen Leichtbaumaterialien. 

Die Computertomographie kennen die meisten Menschen aus der Medizin: Dabei wird ein Körperteil von allen Seiten mit Röntgenlicht durchleuchtet und eine Software errechnet daraus ein dreidimensionales Bild, aus dem sich beliebige Schnittbilder für die Diagnose erstellen lassen.

Schnelle 3D-Aufnahmen mit Synchrotronstrahlung

Auch für die Materialanalyse, die zerstörungsfreie Qualitätsprüfung oder bei der Entwicklung von neuen funktionalen Materialien ist diese Methode 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.

Von 200 auf 1000 Tomogrammen pro Sekunde

Daran arbeitet ein HZB-Team um Dr. Francisco Garcia Moreno zusammen mit Kolleginnen und Kollegen von der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am Paul-Scherrer-Institut (PSI), Schweiz. Vor zwei Jahren schafften sie einen Rekordwert von 200 Tomogrammen pro Sekunde, die Methode der schnellen Bildgebung bezeichneten sie 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.

Rotationstisch schafft 500 Umdrehungen pro Sekunde

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.

Aus 40 Aufnahmen pro Millisekunde wird ein 3-D-Bild

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 3-D-Bild pro Millisekunde, also 1000 3-D-Bilder pro Sekunde. Mit dem geplanten SLS2.0 Upgrade sollen ab dem Jahr 2025 sogar noch schnellere Messungen mit höherer räumlicher Auflösung möglich werden.

Vom Datenstrom zu Bildern

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 Dr. 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.

Wunderkerzen, erstarrte Schmelzen und Metallschäume

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.

Zur Publikation in Advanced Materials (2021): Tomoscopy: Time-resolved tomography for dynamic processes in materials

Francisco García-Moreno, Paul Hans Kamm, Tillmann Robert Neu, Felix Bülk, Mike Andreas Noack, Mareike Wegener, Nadine von der Eltz, Christian Matthias Schlepütz, Marco Stampanoni, John Banhart

DOI: 10.1002/adma.202104659