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Einleitung
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat im Synchrotronstrahlungslabor BESSY (im Wissenschafts- und Technologiezentrum Berlin-Adlershof) ein Röntgen-Strahlrohr (BAMline) sowie einen Messplatz für die zerstörungsfreie Materialcharakterisierung aufgebaut. Der Messplatz erlaubt die Untersuchung mit monochromatischer Röntgenstrahlung im Energiebereich von 5keV bis 60keV mit hohem Photonenfluß. Seit Anfang 2001 läuft der Probebetrieb zur Optimierung der Strahlungsquelle sowie des experimentellen Aufbaus.
Die Besonderheiten der BAMline im Vergleich zu Laboröntgenquellen sind der hohe Photonenfluss bei freier Wahl der Photonenenergie sowie die Polarisationseigenschaften und die außerordentliche Parallelität der Strahlung bei großem Strahlungsquerschnitt. Dies ermöglicht Refraktionstopogramme für Metall-Matrix-Komposite (MMC) in relativ kurzer Zeit, mit einer lateralen Ortsauflösung von 10µm, zu messen.
Das neuartige ZfP-Verfahren der Röntgen-Refraktions-Topograhy wurde an anderer Stelle ausführlich beschrieben [1,2]. Es nutzt die Messtechnik der traditionellen Kleinwinkelstreuung auf unkonventionelle Weise, und wurde in den letzten zehn Jahren in unserem Labor entwickelte und an die fortgeschrittenen Anforderungen für die zerstörungsfreie Charakterisierung von neuartigen Werkstoffen wie faserverstärkten Kompositen und Keramiken angepasst. Das Verfahren basiert auf dem Brechungseffekt von Röntgenstrahlen. Auf Grund der kurzen Wellenlänge der Röntgenstrahlen (l » 0.1nm) können innere Oberflächen sowie Grenzflächenkonzentrationen von Nanometer Große detektiert werden, so dass mit Hilfe dieser Technik sehr leicht Partikel, Risse und Porengrößen im Sub-Mikrometer-Bereich gemessen werden können, ohne dabei die Proben zu zerstören, wie es bei mikroskopischen Techniken notwendig ist.
Anwendungsfelder dieser Untersuchungsmethode sind z.B. die Erkennung von Faser-Matrix-Enthaftung nach Schlageinwirkung sowie Rissbildung durch Alterung und Herstellung bei faserverstärkten Kompositen.
Für die Charakterisierung Neuer Werkstoffe, vornehmlich Nichtmetalle, hat sich das Verfahren der Röntgen-Refraktions-Topographie bewährt. Es handelt sich phänomenologisch um eine Technik der Röntgen-Kleinwinkel-Streuung mit Probekörper-Abtastung bei fest vorgewähltem Streuwinkel. Gegenüber der klassischen Beugungstheorie dominieren jedoch bei der Streuung an Strukturen oberhalb von 0.3 µm Größe röntgenoptische Brechungseffekte. Detektierbar sind damit innere Ober- und Grenzflächen, insbesondere Mikrorisse unterhalb der lichtmikroskopischen Erkennbarkeit. Da es sich hierbei um eine Durchstrahlungs-Technik handelt, überlagern jedoch die Strukturen zu einer Projektion, analog zu den radiographischen Verfahren.
Um auch Informationen entlang der Durchstrahlungs-Richtung in der Tiefe des Probekörpers zu erhalten, wird unter kleinen Streuwinkeln die Computer-Tomographie durchgeführt, im ersten Ansatz mit nur zwei Meßkanälen, jeweils für die Messung der Absorptions- und der Refraktions-Intensität. Dazu werden nacheinander 360 Linear-Scans nach Drehung von jeweils 1° aufgenommen. Die Intensitätswerte werden nach den Regeln der fouriergefilterten Rückprojektion zu Computer-Tomogrammen verarbeitet.
Die Ergebnisse visualisieren die Anordnung von Grenzflächen und innere Oberflächen, die sich für zahlreiche nichtmetallische Werkstoffe, vor alllem im Transportmittel-Leichtbau als relevante Mikrostrukturen für das Versagens-Verhalten und die Werkstoff-Optimierung eignen. Zum Vergleich entstehen aus den simultanen Absorptionsmessungen gleichzeitig die klassischen Computer-Tomogramme, die ausschließlich Dichteänderungen anzeigen.
Röntgen-Topographische Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, daß die Streueigenschaften eines Probekörpers ortskorreliert erfaßt werden. Somit vereinigen sie die Vorzüge der bildgebenden Eigenschaft der Radiographie mit der Strukturselektivität der Röntgenanalyse. Sowohl die Röntgen-Weitwinkel-Streuung als auch die Röntgen-Kleinwinkel-Streuung (-Beugung und -Refraktion) werden topographisch für die Materialcharakterisierung eingesetzt. Die Topographie-Verfahren und Untersuchungsbeispiele an nichtmetallischen Werkstoffen werden dargestellt.
Röntgen-Topographie mit Klein- und Weitwinkel-Streuung und Röntgenrefraktions-Computertomographie
(2003)
Es wird ein Verfahren zur Röntgenabbildung schwach absorbierender Objekte vorgestellt. Als kontrastgebender Effekt wird die Röntgenrefraktion an Ober- und Grenzflächen ausgenutzt. Zur Erzeugung eines sogenannten Dunkelfeldes wird ein schwach gekrümmter Transmissionskristall eingesetzt, der lokal, d.h. in einem kleinen Ausschnitt des Einstrahlquerschnitts, die Bragg-Bedingung erfüllt. Innerhalb dieser Zone erscheinen die durch Refraktion abgelenkten Strahlkomponenten als hell leuchtende Interface-Strukturen. Die Synthese mehrerer Dunkelfeldstreifen ergibt hochaufgelöste 2D Beispiel von biologischen und technischen Mikrostrukturen.
Hinterleuchten stellt eine oft unerkannte Fehlweisung in der radiographischen Abbildung mit Flächendetektoren dar, die durch diffuse Umverteilung der Intensität verursacht wird. Dieser Effekt kann die korrekte Transmissions-Intensität eines Probekörpers gemäß dem Lambert-Beer'schen Gesetz erheblich verfälschen. Hinterleuchten wird sowohl mit Bremsstrahlung von Röntgenröhren als auch mit monochromatischer Synchrotronstrahlung beobachtet. Die fehlerhaft reduzierten Schwächungskoeffizienten von einigen 10 % korrelieren mit der Strahlschwächung und dem direkt bestrahlten Detektorbereich. Für eine einfache numerische Korrektur des Hinterleuchtens werden lediglich integrale Intensitätswerte benötigt.
In den unterschiedlichsten Methoden der Computertomographie tritt häufig ein diffuses Untergrundsignal in den Einzelprojektionen auf: im Falle der Parallelstrahl-CT mit Synchrotronstrahlung handelt es sich um ein Hinterleuchten durch den Fluoreszenzschirm, der vor der CCD-Kamera angeordnet ist. Dieses Hinterleuchten unterscheidet sich von dem bekannten Nachleuchten (Phosphoreszenz) durch zeitliche Konstanz.
Hier äußert sich das Hinterleuchten als Modulation der projizierten Masse und somit als Funktion der Phase (Projektionswinkel) und des Aspektverhältnisses des Objektes. Der Einfluss des Hinterleuchtens ist abhängig von der Größe des von der Probe abgeschatteten Detektorbereiches und des Objektumfangs (Dynamik). Dies hat u.a. zur Folge, dass Abweichungen vom Absorptionsgesetz auftreten, die umso
stärker ausgeprägt sind, je weniger Detektorfläche das Objekt abdeckt und je stärker das Objekt schwächt. Dabei können Aufhärtungseffekte wegen der monochromatischen Strahlung ausgeschlossen werden.
Mit Referenzmessungen und einem isotropen, homogenen Ansatz, der diese Abweichung als Hinterleuchten beschreibt, lassen sich die auftretenden Fehler deutlich verringern.
Eine neuartige Korrektur artefaktisch gemessener Intensitäten von Röntgenflachdetektoren wird vorgeschlagen. Die betrachteten Artefakte betreffen eine diffuse Umverteilung der Intensität und führen zu beträchtlichen Verfälschungen der wahren Schwächung und verletzen mithin das Lambert-Beer'sche Gesetz.
Sie werden sowohl in Laborexperimenten mit Röntgenröhren (polychromatische Einstrahlung) als auch mit monochromatischer Synchrotronstrahlung bei Einsatz indirekt konvertierender Detektionssysteme (Fluoreszenzschirm, Optik, CCD-Chip) beobachtet.
Dieser Effekt wird als Hinterleuchten bezeichnet.
In der vorgestellten Studie werden mittels wohldefinierter Randbedingungen Gesetzmäßigkeiten des Hinterleuchtens untersucht: durch Einsatz monochromatischer Strahlung können Aufhärtungseffekte als Ursache ausgeschlossen werden. Das Hinterleuchten ist umso stärker ausgeprägt, je weniger Detektorfläche vom Objekt abdeckt wird und je stärker das Objekt schwächt. Mit Blick auf Tomographien ergibt sich eine Modulation der 'Dichte' als Funktion des Projektionswinkels, deren Amplitude mit dem Objektumfang steigt (Dynamik).
Der isotrope und homogene Ansatz zur numerischen Korrektur macht lediglich Gebrauch von Intensitätsmittelwerten und stellt die Gültigkeit des Schwächungsgesetzes in modifizierter Form wieder her.