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The combination of tomographic, microstructural data with other experimental techniques and with modeling is paramount, if we want to extract the maximum amount of information on material and component properties. In particular, quantitative image analysis, statistical approaches, direct discretization of tomographic reconstructions represent concrete possibilities to extend the power of the tomographic 3D representation to insights into the material and component performance. This logic thread holds equally for industrial and academic research, and valorizes expensive experiments such as those carried out at synchrotron sources, which cannot be daily repeated. We shall show a few examples of possible use of X-ray tomographic data for quantitative assessment of damage evolution and microstructural properties, as well as for non-destructive testing. We will also show how X-ray refraction computed tomography (CT) can be highly complementary to classic absorption CT, being sensitive to internal interfaces.
Bikontinuierliche poröse Keramiken für Filteranwendungen weisen eine komplizierte Mikrostruktur auf, in der Poren und Festkörperphase 'vermischt' sind. Mechanische, thermische sowie Filtereigenschaften können nur präzise bestimmt werden, wenn die Morphologie beider Phasen quantitativ angegeben werden kann. Hier werden unter Anwendung von 3D Computertomographie (CT) und verschiedenen Techniken, die auf der Röntgenrefraktion basieren, die Porosität und die Porenorientierung in keramischen Cordierit-Dieselpartikelfiltern bewertet. Dabei werden zur Auswertung der Tomogramme die Fouriertransformierten sowie eine neu entwickelte richtungssensitive Bildanalyse (DIVA, directional interface variance analysis) angewandt. Sowohl die genannten Messtechniken als auch der statistische Ansatz gestatten die Extraktion optional ortsaufgelöster oder gemittelter Werte. Es ergeben sich sehr gute Übereinstimmungen der experimentell ermittelten Porositätswerte mit Ergebnissen aus Quecksilberintrusionsversuchen als auch der ermittelten Porenorientierung im Vergleich zu publizierten Angaben zur kristallographischen Textur. Dies legt den Schluss nahe, dass die Kenntnis der Grenzflächen (zwischen Poren und Materie) genügt, die morphologischen Eigenschaften solcher Materialien hinreichend zu beschreiben.
Die durch Brechung an Mikrostrukturen abgelenkte Röntgenstrahlung wird direkt zweidimensional abgebildet. Dazu werden Modellproben einfacher Geometrie (Fasern, Kapillaren, monodisperse Nano- und Mikropartikel) mit einem auf 50 µm kollimierten Synchrotronstrahl (20 keV) gescannt. Die nach den Regeln der geometrischen Optik an prismatischen und linsenartigen Grenzflächen abgelenkte Strahlung wird in etwa 3 Metern Entfernung von einem Flächendetektor mit 7 µm Ortsauflösung zusätzlich zu der ungestörten Resttransmission des Primärstrahls registriert. In der Abfolge der Radiogramme werden die lokalen Orientierungsänderungen der Probekörper-Grenzflächen bei deren Abtastung mit wenigen Mikrometern Schrittweite bildhaft verfolgt. Mit der hier erreichten Winkelauflösung von etwa 3 Bogensekunden (Streuvektor-Inkremente Δk = 10-3nm-1) kann bei 50 µm Ortsauflösung das Materialvolumen bezüglich innerer Grenzflächen mit Nanometer-Separation auch bei hohen Abtastraten unterhalb einer Sekunde pro Bild charakterisiert werden.
For the first time we present direct 2D imaging of refracted X-rays without any discrimination of the Primary radiation. X-refraction works in analogy to visible light optics: X-rays are entirely deflected at interfaces where discontinuities of (electron) density occur. This is demonstrated at the example of inner and outer surfaces of model samples of well-defined geometry (fibres, capillaries, and monodisperse micro particles). The samples are scanned through a 50 μm monochromatic (20 keV) pencil beam. In order to warrant a sufficient angular resolution a 2D detector (pixel size 7 μm) is placed 3 m downstream of the sample. Scanning the sample in micron steps allows for detecting local changes of interface / surface orientation directly in two dimensions. At the actual angular resolution of about 3 seconds of arc (scattering vector increments Δk = 10-3 nm-1) and 50 μm spatial resolution (scanning) the material’s inner surfaces (with nanometer separation) can be characterized even at sampling rates below 1 second per frame. Moreover, our technique is suited to directly determine particle diameters of up to 250 nm by means of diffraction fringes. Some potential applications to technical submicron structures are discussed.
X-ray dark field imaging
(2014)
A new kind of enhanced contrast X-ray imaging of weakly absorbing materials in dark field mode is presented.
Samples such as plastics and biological tissue are a perpetual challenge for radiographic imaging. Recent innovative approaches such as Diffraction Enhanced Imaging (DEI), “phase contrast”, grating interferometry (Talbot-Lau), or Refraction Enhanced Imaging (REI) have in common that they yield enhanced contrast based on deflected X-rays.
Here, we introduce a REI modification, which works with a slightly bent single crystal reflecting in Bragg geometry. The samples are placed upstream of the thin crystal within a parallel synchrotron beam. The crystal’s curvature creates a dark-field stripe in the transmission image, similar to the inverse of a Darwin-Prins rocking curve of plane crystals. The reflection condition is met better or worse as a steady function of incidence position.
Refracted beam portions of sample interfaces appear bright on black stripes. The entire image is finally synthesized by multiple dark-field stripes. The technique is an alternative to the mentioned techniques. We demonstrate the technique’s advantage by examples of biological and technical microstructures.
Bi-continuous porous ceramics for filtration applications possess a particularly complicated microstructure, whereby porosity and solid matter are intermingled. Mechanical, thermal, and filtration properties can only be precisely estimated if the morphology of both solid matter and porosity can be quantitatively determined. Using 3D computed tomography (CT) at different resolutions, and several X-ray refraction-based techniques, we quantitatively evaluated porosity and pore orientation in cordierite diesel particulate filter ceramics.Moreover, applying both Fast Fourier Transform (FFT) and a newly developed image analysis algorithm (directional interface variance analysis, DIVA), we quantitatively evaluated porosity and pore orientation. Both the experimental techniques and the statistical approach allow extraction of spatially resolved or average values.Porosity values from synchrotron computed tomography used turn out to agree with mercury intrusion measurements, while pore orientation factors agree with published crystallographic texture data. This latter point also implies that the study of the pore/matter interface is sufficient to describe the morphological properties of these materials.
Anhand von computertomografischen Messungen und Modellrechnungen werden DIRECTT-Rekonstruktionen im Vergleich mit gefilterten Rückprojektionen bewertet. Dazu wird die Rekonstruktionsqualität mittels einer zirkular erweiterten Modulations-Transfer-Funktion (MTF) und mit integralen Kenngrößen im Radon- und im Ortsraum verglichen. Zur Überprüfung der Rekonstruktionsgenauigkeit experimenteller Daten werden Mustermessungen einfacher Probengeometrien unter definierten physikalischen Bedingungen durchgeführt. Diese beinhalten die Monochromasie, die Unterdrückung von Kantenartefakten und die radiometrische Intensitätsbestimmung. Für die Qualität der Rekonstruktionen mittels DIRECTT erweisen sich sowohl unterschiedliche Rekonstruktionsfilter als auch der Verzicht auf jede Filterung als unerheblich, im Gegensatz zur gefilterten Rückprojektion.