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Numerical Simulation of X-Ray Scattering Processes during Radiographic Inspection of Materials
(2006)
Abstract A technique for numerical simulation of the processes of forming X-ray radiography images of complex multicomponent objects with allowance for the penetrating-radiation absorption and scattering processes is proposed. The technique proposed is based on an efficient description of complex 3D objects with piecewise-homogeneous structures and uses precisely specified shells separating homogeneous components of an object. Being combined with a developed version of the Monte Carlo method, this approach yields an efficient computational apparatus for analyzing the regularities of the formation of radiographic images of objects internal structures. This apparatus is intended for state-of-the-art multiprocessor computing systems. Having been obtained via the technique developed, the results of the numerical analysis of the effect of different mechanisms of interaction between photons and matter (including coherent and incoherent scattering with allowance for bonds of electrons in atoms) on the formed radiographic image of the objects internal structure are discussed. The advantage of the described technique over the known MCNP program complex is shown.
A special slit collimator was developed earlier for fast acquisition of X-ray back scatter images. The design was based on a twisted slit design (ruled surfaces) in a Tungsten block to acquire backscatter images. The comparison with alternative techniques as flying spot and coded aperture pin hole technique could not prove the expected higher contrast sensitivity. In analogy to the coded aperture technique, a novel multi slit camera was designed and tested. Several twisted slits were parallelly arranged in a metal block. The CAD design of different multi-slit cameras was evaluated and optimized by the computer simulation packages aRTist and McRay. The camera projects a set of equal images, one per slit, to the digital detector array, which are overlaying each other. Afterwards, the aperture is corrected based on a deconvolution algorithm to focus the overlaying projections into a single representation of the object. Furthermore, a correction of the geometrical distortions due to the slit geometry is performed. The expected increase of the contrast-to-noise ratio is proportional to the square root of the number of parallel slits in the camera. However, additional noise has to be considered originating from the deconvolution operation. The slit design, functional principle, and the expected limits of this technique are discussed.
Computer modelling of non-destructive testing methods has come a long
way from the beginnings in the mid 90s to today. Radiographic modelling for
components with higher wall thicknesses, as they are typical for nuclear
applications, must include precise predictions of scattered radiation and its impact
in terms of contrast reduction. Dedicated or general purpose Monte Carlo methods
with the ability to calculate higher order scattering events are the state of the art for
these applications. Aerospace applications, on the other hand, have stronger
requirements on the modelling code's capabilities to import complex CAD
geometries, and can benefit from faster analytical scatter models, limited to first or
second order scattering events. Similar distinctions can be made for the various
approaches proposed to accurately model geometrical and film unsharpness, film
granularity, film responses, film/foil cartridges and photon noise. This article
presents a state-of-the-art review of radiographic modelling from the perspective of
two important application domains with very different requirements, nuclear and
aerospace.
Ziel des Vorhabens ist die hochgenaue und vollständige Erfassung innerer und äußerer Geometrien von Mikrobauteilen mittels Mikro-Computertomographie (µCT). Industriell wichtige Mikrobauteile sind z.B. Einspritzsysteme, Festplattenkomponenten oder Instrumente für die minimal-invasive Chirurgie. Typische Bauteilgrößen liegen hier im Bereich 0,1 mm - 100mm; typische zu messende Strukturen haben Größen von 0,5 µm - 500 µm. Mit klassischen Methoden der Messtechnik ist eine schnelle und hochgenaue Erfassung der gesamten Oberfläche von Mikrobauteilen bisher kaum möglich. Innenstrukturen von Mikrobauteilen können mit keiner optischen oder taktilen Messtechnik zerstörungsfrei gemessen werden. Diese Einschränkungen sollen mittels hochgenauer µCT überwunden werden. Hierzu soll der Messprozess simuliert werden, um die Anwendung von Korrekturverfahren zur Genauigkeitssteigerung zu ermöglichen. CT-Messungen an kalibrierten Mikroprüfkörpern sollen die Korrekturverfahren verifizieren. Für die Kalibrierung der Prüfkörper sollen Multisensor-Verfahren entwickelt und getestet werden. Diese sollen es erlauben, Prüfkörper gleichzeitig hochgenau und mit großer Messpunktdichte zu kalibrieren. Es ist geplant, die an Prüfkörpern erreichten Messunsicherheiten und Auflösungen zum Projektabschluss an realen, industriellen Mikrobauteilen (z.B. Mikrozahnrädern) messtechnisch nachzuweisen.
Die Mikro- und Nanotechnologie gehört zu den Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts mit hohen Wachstumsprognosen, wie auch die im Auftrag des BMBF durchgeführte Studie “Nanotechnologie als wirtschaftlicher Wachstumsmarkt” von 2004 ausführlich darstellt. Aus diesem Trend resultiert ein steigender Bedarf an Messsystemen, die Nanostrukturen prozessnah bzw. im Fertigungsprozess charakterisieren können. Virtuelle Messgeräte liefern Erkenntnisse zur Entwicklung neuartiger Messsysteme, Analyse und Optimierung bestehender Verfahren sowie die Bestimmung der Messunsicherheit und modellbasierten Korrektur systematischer Fehler. Der virtuelle Messprozess umfasst neben dem Messmittel auch die Probe und die Wechselwirkungen zwischen beiden. In diesem Beitrag werden virtuelle Messgeräte vorgestellt sowie deren Anwendung diskutiert.