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X-ray compton tomography
(2014)
The potentials of incoherent X-ray Scattering (Compton) tomography are investigated. Imaging materials of very different density or atomic number at once is a perpetual challenge for X-ray tomography or radiography, in general. In a basic laboratory set-up for simultaneous perpendicular Compton Scattering and direct beam attenuation tomographic scans are conducted by single channel photon counting. This results in asymmetric distortions of the projection profiles of the scattering CT-data set. ln a first approach corrections of Compton scattering data by taking advantage of rotational symmetry yield tomograms without major geometric artefacts.
A cylindrical sample composed of PE, PA, PVC, glass and wood demonstrates similar Compton contrast for all the substances, while the conventional absorption tomogram only reveals the two high order materials.
Compärison to neutron tomography reveals astonishing similarities except for the glass component (without hydrogen). Therefore, Compton CT bears the potential to replace neutron tomography, which requires much more efforts.
The potentials of incoherent X-ray scattering (Compton) computed tomography (CT) are investigated. The imaging of materials of very different atomic number or density at once is generally a perpetual challenge for X-ray tomography or radiography. In a basic laboratory set-up for simultaneous perpendicular Compton scattering and direct beam attenuation tomography are conducted by single channel photon counting line scans. This results in asymmetric distortions of the projection profiles of the scattering CT data set. In a first approach, corrections of Compton scattering data by taking advantage of rotational symmetry yield tomograms without major geometric artefacts. A cylindrical sample composed of PE, PA, PVC, glass and wood demonstrates similar Compton contrast for all the substances, while the conventional absorption tomogram only reveals the two high order materials. Comparison to neutron tomography
reveals astonishing similarities except for the glass component (without hydrogen). Therefore, Compton CT offers the potential to replace neutron tomography, which requires much more efforts.
Vertebrate bones are made of a nanocomposite consisting of water, mineral and organics. Water helps bone material withstand mechanical stress and participates in sensation of external loads. Water diffusion across vertebrae of medaka (bone material lacking osteocytes) and zebrafish (bone material containing osteocytes) was compared using neutron tomography. Samples were measured both wet and following immersion in deuterated-water (D2O). By quantifying H+ exchange and mutual alignment with X-ray lCT scans, the amount of water expelled from complete vertebra was determined. The findings revealed that anosteocytic bone material is almost twice as amenable to D2O diffusion and H2O exchange, and that unexpectedly, far more water is retained in osteocytic zebrafish bone. Diffusion in osteocytic bones (only 33 % – 39 % water expelled) is therefore restricted as compared to anosteocytic bone (~ 60 % of water expelled), presumably because water flow is confined to the lacunar-canalicular network (LCN) open-pore system. Histology and Raman spectroscopy showed that anosteocytic bone contains less proteoglycans than osteocytic bone. These findings identify a previously unknown functional difference between the two bone materials. Therefore, this study proposes that osteocytic bone retains water, aided by non-collagenous proteins, which contribute to its poroelastic mechano-transduction of water flow confined inside the LCN porosity.
In-situ-Neutronenradiografie wird erfolgreich eingesetzt, um flüssiges Wasser in Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen während des Betriebs zerstörungsfrei abzubilden und das sogenannte Wassermanagement eine der größten Herausforderungen der Entwicklung durch Anpassung der Materialeigenschaften zu optimieren. Dabei werden die besonderen Eigenschaften der Neutronen genutzt, die metallische Bauteile relativ leicht durchdringen, während selbst kleine Wassermengen durch ihre starke Streuung leicht nachweisbar sind. Die relativ langen Messzeiten für die Neutronentomografie werden durch den Betrieb der Zelle im angehaltenen Zustand realisierbar, sodass die dreidimensionale Wasserverteilung darstellbar wird.
Ein effektives Wassermanagement ist ein wichtiger Aspekt in der Entwicklung von Brennstoffzellen hinsichtlich Langzeitstabilität und Optimierung der Leistungsfähigkeit. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Gasdiffusionslage, die für die gleichmäßige Verteilung der Reaktionsgase auf die elektrochemisch aktive Schicht (Katalysator) sorgen soll. In diesem Beitrag werden gemeinsame Forschungsaktivitäten des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (Entwicklung bildgebender Verfahren) sowie des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW, Entwicklung von Brennstoffzellen) vorgestellt. Im Rahmen dieser Kooperation werden die Entstehung, die Verteilung und der Transport von flüssigem Wasser, kurz das Wassermanagement, unter Betriebsbedingungen untersucht. Mittels Synchrotronradiografie und -tomografie werden kleinste Wassercluster in der Gasdiffusionslage detektiert. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen der Modifikation und einer gezielten Auswahl der eingesetzten Materialien.
Metastable austenitic stainless steel (304L) samples with a rectangular cross-section were plastically deformed in torsion during which they experienced multiaxial stresses that led to a complex martensitic phase distribution owing to the transformation induced plasticity effect. A three-dimensional characterization of the phase distributions in these cm-sized samples was carried out by wavelength-selective neutron tomography. It was found that quantitatively correct results are obtained as long as the samples do not exhibit any considerable preferential grain orientation. Optical microscopy, electron backscatter diffraction, and finite element modeling were used to verify and explain the results obtained by neutron tomography. Altogether, neutron tomography was shown to extend the range of microstructure characterization methods towards the meso- and macroscale.
Metastable austenitic stainless steel (304L) samples with a rectangular cross-section were plastically deformed in torsion during which they experienced multiaxial stresses that led to a complex martensitic phase distribution owing to the transformation induced plasticity effect. A three-dimensional characterization of the phase distributions in these cm-sized samples was carried out by wavelength-selective neutron tomography. It was found that quantitatively correct results are obtained as long as the samples do not exhibit any considerable preferential grain orientation. Optical microscopy, electron backscatter diffraction, and finite element modeling were used to verify and explain the results obtained by neutron tomography. Altogether, neutron tomography was shown to extend the range of microstructure characterization methods towards the meso- and macroscale.
Aufgrund des hohen Wirkungsgrades und der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten können Brennstoffzellen einen wichtigen Beitrag zur zukünftigen Energieversorgung leisten. Für die Optimierung der Brennstoffzellentechnik ist es erforderlich, die während des Zellbetriebs ablaufenden Prozesse zu verstehen und exakt zu charakterisieren. Ein ausbalanciertes Wassermanagement ist die Grundlage für die optimale Leistungsfähigkeit einer wasserstoffbetriebenen Zelle. Das während des Betriebs entstehende Wasser muss die Membran ausreichend befeuchten, um deren Protonenleitfähigkeit aufrechtzuerhalten. Andererseits behindern zu große Wasseransammlungen in der Zelle die Gaszufuhr durch die porösen Materialien sowie in den Kanälen der Gasverteilerstrukturen. Alterungsphänomene einzelner Zellkomponenten können die Verteilung der Wasseransammlungen und somit das Wassermanagement empfindlich stören und so die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle herabsetzen. Zur Analyse der Wasserverteilung werden zerstörungsfreie, bildgebende Methoden, wie die Ex-situ-Neutronentomografie und die In-situ-Synchrotronradiografie, eingesetzt. Diese Methoden können während des Brennstoffzellenbetriebs mit weiteren Messverfahren, beispielsweise der ortsaufgelösten Stromdichtemessung, kombiniert werden. Auf diese Weise werden einzelne Komponenten, wie zum Beispiel die Gasdiffusionsschichten, charakterisiert.
Auf Grund des hohen Wirkungsgrades und der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten stellen Brennstoffzellen sowie Brennstoffzellenverbünde eine vielversprechende Energiequelle dar. Daher ist es wichtig, die Prozesse während des Betriebs einer Brennstoffzelle exakt charakterisieren zu können, um diese im nächsten Schritt zu optimieren.
So ist ein ausbalanciertes Wassermanagement in einer mit Wasserstoff betriebenen Zelle ausschlaggebend für ihre Leistungsfähigkeit. Für eine dauerhafte Leistungsfähigkeit muss das entstehende Wasser die Membran feucht halten, um so die Protonenleitfähigkeit aufrecht zu erhalten. Zu viel Wasser kann jedoch die Gaszufuhr durch die porösen Materialien in Richtung Membran verhindern.
Alterungsphänomene der einzelnen Komponenten können dieses sensible Wassermanagement stören und so die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle
herabsetzen. Zum tieferen Verständnis der Wasserverteilung werden zerstörungsfreie Methoden, wie zum Beispiel die ex situ Neutronentomografie oder die in situ Synchrotronradiografie eingesetzt. Letztere Methode kann während des Brennstoffzellenbetriebs in Kombination mit weiteren Messmethoden, wie der ortsaufgelösten Stromdichtemessung, eingesetzt werden. So können einzelne Brennstoffzellenkomponenten, wie die Gasdiffusionsschichten, charakterisiert werden.
Polychromatic and wavelength-selective neutron transmission radiography were applied during bead-on-plate welding on 5 mm thick sheets on the face side of martensitic low transformation temperature (LTT) steel plates using gas tungsten arc welding (GTAW). The in situ visualization of austenitization upon welding and subsequent α’-martensite formation during cooling could be achieved with a temporal resolution of 2 s for monochromatic imaging using a single neutron wavelength and of 0.5 s for polychromatic imaging using the full spectrum of the beam (white beam). The spatial resolution achieved in the experiments was approximately 200 µm. The transmitted monochromatic neutron beam intensity at a wavelength of λ = 0.395 nm was significantly reduced during cooling below the martensitic start temperature Ms since the emerging martensitic phase has a ~10% higher attenuation coefficient than the austenitic phase. Neutron imaging was significantly influenced by coherent neutron scattering caused by the thermal motion of the crystal lattice (Debye–Waller factor), resulting in a reduction in the neutron transmission by approx. 15% for monochromatic and by approx. 4% for polychromatic imaging.