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Rekonstruktion limitierter computertomographischer Datensätze von PEM-Brennstoffzellen mit DIRECTT
(2010)
Rekonstruktion unvollständiger computertomografischer Modelldatensätze mit Directt-Algorithmus
(2010)
Modellrechnungen zur Rekonstruktion unvollständiger computertomographischer Datensätze werden zur Ermittlung der Vorteile des neuen Directt-Algorithmus gegenüber der konventionellen gefilterten Rückprojektion durchgeführt, insbesondere auch zur Vermeidung experimentell begründeter Unwägbarkeiten. Ein entsprechender Bedarf entsteht seitens erweiterter Forschungsaktivitäten und industrieller Bedürfnisse, wo die Rekonstruktion limitierter Messdatensätze von Artefakten dominiert wird. Die bekanntesten Einschränkungen betreffen das Limited-View- und Few-Angles-Problem sowie die ROI-Situation, die jeweils unabhängig voneinander untersucht werden, in der Anwendung jedoch zumeist undefiniert vermischt sind, wie etwa in der Elektronen-Tomografie. Die hochauflösende Rekonstruktion von Einzelpixeln wird durch die Wahl eines kleinen Modells von nur 1012 Pixeln visualisiert und ist ohne Filterung möglich. Rekonstruktionen von 90°-Sektoren oder 50 % -ROI-Querschnitten sind fast ohne Auflösungseinschränkungen realisierbar. Die bisher nicht bekannte Möglichkeit, auch außerhalb der ROI präzise zu rekonstruieren, wurde als "Extended ROI"-Methode erfolgreich erprobt.
Die Aufklärung spezifischer Fragestellungen zur Funktionalität von PEM(polymer electrolyte membrane)- und DMFC(Direct Methanol)-Brennstoffzellen bedarf der 3D-Abbildung der spezifischen Komponenten mit unterschiedlichen Strahlungsarten: des Wassergehalts in den Flow Fields mit Neutronen, der Katalysator-Alterung in der MEA (membrane electrode assembly) mit Synchrotronstrahlung und der freien (reaktiven) Katalysator-Oberfläche von Nano-Partikeln mit TEM-Elektronen-Tomografie. Diese Messungen im Bereich der mm- bis nm-Skala unterliegen dabei erheblichen Restriktionen: einer ortsabhängigen Verschmierung der Neutronenradiogramme, Manipulatorinstabilitäten der Synchrotronmessungen sowie einer Kombination von Limited-View-Datensätzen, wenigen Projektionswinkeln und teilweiser Nichtdurchstrahlbarkeit in der Elektronen-CT. Die Vorteile eines fortentwickelten Directt-Algorithmus für die Bewältigung dieser Randbedingungen gegenüber gefilterten Rückprojektionen werden aufgezeigt.
Charakterisierung von Katalysatormaterialien für Brennstoffzellen mittels Elektronentomografie
(2010)
Zur Optimierung moderner Katalysatoren für Brennstoffzellen werden diese elektronen-tomografisch charakterisiert. Die Elektronentomografie ermöglicht einzigartige Einblicke in die Nanometer-Strukturen der metallischen Katalysatorpartikel, die auf einem elektrisch leitenden, inerten Kohlenstoffträger abgeschieden werden. Die dreidimensional bildgebende Methode ermöglicht über qualitative Untersuchungen hinaus detaillierte quantitative Form- und Strukturanalysen der Katalysatormaterialien. So werden beispielsweise die Positionen der Katalysatorpartikel relativ zum Trägermaterial analysiert. Ihre Form und Einbettung in den Träger, welche die für die katalytische Reaktion maßgebliche "freie Oberfläche" definieren, werden bestimmt. Die Elektronentomografie ermöglicht somit quantitative Vergleiche zwischen verschiedenen Katalysatormaterialien und Herstellungsverfahren. Sie erweitert die Möglichkeiten der Korrelation gewünschter elektrochemischer Eigenschaften mit der Nanostruktur dieser Materialien und macht so weitere Optimierungen der Katalysatormaterialien möglich.
Statistical analysis of tomographic reconstruction algorithms by morphological image characteristics
(2010)
We suggest a procedure for quantitative quality control of tomographic reconstruction algorithms. Our task-oriented evaluation focuses on the correct reproduction of phase boundary length and has thus a clear implication for morphological image analysis of tomographic data. Indirectly the method monitors accurate reproduction of a variety of locally defined critical image features within tomograms such as interface positions and microstructures, debonding, cracks and pores. Tomographic errors of such local nature are neglected if only global integral characteristics such as mean squared deviation are considered for the evaluation of an algorithm. The significance of differences in reconstruction quality between algorithms is assessed using a sample of independent random scenes to be reconstructed. These are generated by a Boolean model and thus exhibit a substantial stochastic variability with respect to image morphology. It is demonstrated that phase boundaries in standard reconstructions by filtered backprojection exhibit substantial errors. In the setting of our simulations, these could be significantly reduced by the use of the innovative reconstruction algorithm DIRECTT.
Die mitunter erhebliche Verschmierung von computertomograpischen Projektionen durch ausgedehnte Strahlenquellen wird durch eine neuartige Entschmierungsprozedur erheblich reduziert, um eine verbesserte Ortsauflösung der Rekonstruktion zu erreichen. Da die Breite der Verschmierungsfunktion der detektornahen und -fernen Objektelemente sich erheblich unterscheiden kann, muss die Entschmierung variabel sein. Im Gegensatz zu einer für alle Voxel-Positionen identischen Entfaltung, also einer grundsätzlich falschen Voraussetzung, wurde eine implizite Entschmierung entwickelt. Die vorab bekannte positionsabhängige Verschmierung wird auf die iterativ wiederholten Projektionen der Teilrekonstruktionen des DIRECTT-Algorithmus angewandt. Die variabel entschmierten Rekonstruktionen aus den Sinogrammen eines Pixelmodells mit Verschmierungen von 1 bis 5 Pixel erreichen eine Ortsauflösung von nahezu einem Pixel.
The emerging technology of generation and detection of Terahertz waves (1 THz = 1012
Hz) offers diverse potentials in non-destructive testing (NDT) regarding security as well
as safety aspects. Herein, we focus on the latter with emphasis on imaging techniques.
The THz range (0.1
10 THz, 3mm
30 µm) closes the technological gap between
ultra high frequency electronics and FIR optics in the electro-magnetic (EM) spectrum.
Electro-optical sampling provides straight access to the EM wave including its phase
(rather than intensity). THz waves are well suited to characterize non-metallic materials
since they penetrate paper, plastics, ceramics and certain composites (e.g. GFC).
We employ a commercial fibre-coupled THz time domain spectrometer (TDS) for
scanning the samples laterally through a focal spot. At each position the entire temporal
pulse train is recorded, which offers the opportunity to use various parameters derivable
for imaging.
Topographic measurements are performed as reflection set-up. The achievable spatial
resolution is diffraction limited at about 100 µm -300 µm (which allows for perception
of single defects on a sub-mm scale). In contrast to typical pulse echoed ultrasound
testing THz topography is a non-contact inspection tool without coupling agents.
Several reflections of subsequent concealed layers are detected instead of just the first
encountered one. Comparing to X-ray (radiology) the non-ionizing THz-waves generate
images of similar contrast regarding metal and plastic (organic) components, while
conventional radiography emphasizes one type of material depending on the energy preselected.
Moreover, the full temporal information is exploited to derive spectra in
certain selected time windows, i.e. separated spectral properties of each layer in
multilayered structures.
Tomographic measurements are performed in transmission mode. The sample is
mounted on a rotation stage in order to allow for lateral scanning under the different
projection angles. The reconstruction is typically performed by filtered backprojection,
which is widely used for X-ray CT. The adaption of this technique to the THz range
comes along with several experimental drawbacks such as considerable refraction and
scattering. According to these difficulties we investigate the occurring artefacts. The
THz-TDS provides the opportunity to calculate a separate backprojection of each
frequency interval as obtained by the Fourier transformation of the recorded time
resolved amplitude. This results in a spectrally resolved reconstruction of each voxel,
which is unique in computed tomography technology.