Synchrotron Mikrotomographie in der Materialwissenschaft

Transkript

1 Synchrotron Mikrotomographie in der Materialwissenschaft Alexander Rack Institut für Synchrotronstrahlung ISS / ANKA Light Source I Die Methode

2 Synchrotron X fan beam Magnets BAMline -7T WLS Wave-Length-Shifter

3 Laborquellen vs. Synchrotron höherer Fluß - Monochromatoren verwendbar höhere Dichteauflösung keine Strahlaufhärtungsartefakte nahezu parallele Strahlausbreitung (Bildqualität) Synchrotronlicht ist räumlich partiell kohärent - Interferenzeffekte können zum Erhöhen des Kontrastes genutzt werden Synchrotron Mikrotomographie CCD Leuchtschirm Probe Monochromator P C Synchrotron Röntgenbild

4 Bildgebung mit Röntgenlicht CCD Tubuslinse Leuchtschirm Probe Mikroskopobjektiv Sinogramm X ϑ Y X Y ϑ Y i Y i

5 Sinogramm axial FBP Rekonstruktion via Rückprojektion

6 Kontrast - Schwächungskoeffizient Zn+TiH 2 massiv Halbzeug: 0.50 vol% Zirkon Zink Titan Energie [kev] Schwächungskoeffizient [cm -1 ] Zn+ZrH 2 massiv Halbzeug: 0.66 vol% Phasenkontrast kommerzielle Aluminium-Legierung A357 (Al, Si, Mg) (18 kev, 0.8 µm Pixelgröße / <2 µm Auflösung) 20 mm 100 mm Simon Zabler, PhD thesis

7 II ANKA ANKA Angstromquelle Karlsruhe 2.5 GeV Ringenergie 200 ma Ringstrom 110 m Umfang 14 Beamlines (4 under commissioning, 2 weitere in Planung) Userbetrieb seit

8 ANKA Angstromquelle Karlsruhe X-Ray Imaging Group at Lukas Helfen Timm Weitkamp Alexander Rack Anton Myagotin Tilo Baumbach

9 Welcome to Florentina Alecu Tatjana, Litvina Commercial Services TopoTomo Beamline ehemals FLUO-TOPO seit 2006 eigene FLUO Beamline TopoTomo: Weißlicht-Topographie, Tomographie (Monochromator ab 2008 DMM), Testumgebung für die IMAGING-Beamline Bending magnet Multilayer mono Fluo station Topography station X X

10 Detektoren Optique Peter Macroscope BAMline-Design Projection optics Pixel size Scintillators Field of view Status Special high-aperture objective (Rodenstock) high efficiency simple, cost-efficient µm BGO, CWO single crystal 10 x 6 mm 2 Running at TOPO-TOMO 3 microscope objectives on revolving nosepiece variable magnification high resolution µm LAG:Eu single crystal 5 x 5 mm 2 (max.) delivered December 2006 FReLoN 2000 ANKA erste externe User 2000 x 2000 CCD front-illuminated 8 FPS 14 µm pixelsize ATMEL TH7899M

11 Laminographie Tomography: rotation axis CCD Laminography: θ CCD sample sample Sample rotation stage Rotation axis perpendicular to beam full 3D information Not applicable for large, flat samples goniometer system Figures courtesy L. Helfen Inclined rotation axis slight information loss But allows imaging of large, flat samples (e.g., semiconductor wafers) Reconstruction requires more sophisticated algorithm Laminographie-Aufbau - ID 19 Collaboration FZK-ISS / FhG-IZFP Saarbrücken Design: Lukas Helfen, FZK-ISS, with Micos GmbH, Eschbach, Germany Under commissioning at ESRF, Grenoble

12 Anwendung Laminographie 1.4 µm voxel size E=35 kev Flip-chip interconnections: 180 µm Pitch L. Helfen, T. Baumbach et al., Appl. Phys. Lett. 86, (2005). III Anwendungen

13 Anwendungen Inspection Life science Materials NDT Characterization Medicine Batterien, Typ AAAA Mangan-Ring Ableiter (Zn, Cu) Zinkpulver Stahlmantel

14 Batterien Resultat Multi-component volume Input raw volume (8bit) Batterien - in situ Tomographie Zn volume fraction [%] 0 min 0,8 45 min Gauss 0,8 90 min Gauss 0,6 0,6 0,6 0,4 0,4 0,4 0,2 0,2 0,2 0, , Gauss 0,8 0, effective particle diameter [µm]

15 Faserverstärkte Keramik (Fraunhofer ISC) 250 µm Si C 50 µm ca. 4 µm Auflösung < 2 µm Auflösung Bioregeneration von Knochengewebe 0.5 mm

16 Histologie vs. Tomographie 0.5 mm Radiographie Mosquito, IAEA ANKA 5 µm Auflösung, 5 FPS

17 IV Synchrotron µct & 3D Bildanalyse 3D Bildanalyse MAVI (Fraunhofer ITWM) 0.5 mm Boole sche Bilder AlSiCu-Schaum Tomogramm Boole sches Bild Eine der erstrangigen Aufgaben der theoretischen Forschung in jedem Fachgebiet ist es, den Blickpunkt zu finden, von welchem aus das Thema in seiner größtmöglichen Einfachheit erscheint. J. W. Gibbs

18 EDT-Dilatation 1. Objekt-Umgebung sukzessives Erschließen aller Objekt-Umgebungen Anwendung - Bestimmung von Korrelationen Dilatation der Poren & Messen der gesuchten Partikeldichte in jeder neuen Porenumgebung Abnehmende/Zunehmende Partikeldichte Anti-Korrelation Konstante Partikeldichte Korrelation/Anti-Korrelation Partikeldichte Keine Korrelation keine Korrelation Korrelation Ohser, Helfen et al. Partikeln Poren Porenumgebung

19 Metallische Schäume 1 cm 1 mm Fraunhofer IFAM Bremen Metallische Schäume - Pulververfahren

20 AlSiCu-Schaum porosity 6% 0,015 anti-correlation TiH 2 density [a.u.] 0,012 0,009 0,006 0,003 1 mm 0, pore neighborhood radius [µm] räumliche Antikorrelation zw. ersten Poren und Treibmittel AlSiCu-Schaum Cu Si TiH 2

21 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!