Analytische Chemie
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Ancient papyri are a written heritage of culture that flourished more than 3000 years ago in Egypt. One of the most significant collections in the world is housed in the Egyptian Museum and Papyrus Collection in Berlin, from where the samples for our investigation come. The papyrologists, curators and conservators of such collections search intensely for the analytical detail that would allow ancient papyri to be distinguished from modern fabrications, in order to detect possible forgeries, assess papyrus deterioration state, and improve the design of storage conditions and conservation methods. This has become the aim of our investigation. The samples were studied by a number of methods, including spectroscopic (FTIR, fluorescent-FS, Raman) diffractional (XRD) and chromatographic (size exclusion chromatography-SEC), selected in order to determine degradation parameters: overall oxidation of lignocellulosic material, degree of polymerization and crystallinity of cellulose. The results were correlated with those obtained from carefully selected model samples including modern papyri and paper of different composition aged at elevated temperature in humid air. The methods were classified in the order SEC > FS > FTIR > XRD, based on their effectiveness in discriminating the state of papyri degradation. However, the most trustworthy evaluation of the age of papyri samples should rely on several methods.
The presentation summarizes our recent results on the coupled electrochemical methods for high resolution corrosion studies. The combination of Scanning Electrochemical Microscopy (SECM) and multielectrode (MMA) based real-time corrosion monitoring was presented as a new method for achieving high time resolution in local electrochemical analysis. Correlative imaging by means of Atomic Force Microscopy (AFM) and Scanning Electron Microscopy (SEM) was demonstrated as a tool for the investigation of local corrosion processes initiated by the intermetallic particles (IMPs) on AA2024-T3 aluminium alloy.
The performance of functional coatings and adhesively joined hybrid components relies strongly on the stability of the polymer-metal interface. With the increasing utilization of multi-material structures in the automotive and aerospace industry, it is of great scientific and technical interest to understand the processes leading to interface degradation and to develop novel strategies to increase corrosion and delamination resistance.
The aim of this project is to develop thin epoxy-based films and their carbon nanofiller loaded composites on aluminium alloy AA2024-T3 as a model system and to investigate their interfacial stability under corrosive and coupled corrosive-mechanical load. Spin coating was used for the layer-by-layer deposition of poly[(o-cresyl glycidyl ether)-co-formaldehyde] and poly-(ethylenimine) bi-layers. Atomic force microscopy (AFM) results indicate a very homogeneous and dense film with low surface roughness. Carbon nanofillers were introduced either by mixing into the coating components or in between individual layers to control the separation between the carbon nanofillers and alloy surface. The film chemistry and barrier properties were characterized by means of spectroscopic and electrochemical methods, respectively. The degradation and delamination behavior of the epoxy-based films was characterized by means of in situ AFM corrosion experiments. The quantitative imaging (QI) mode allowed the observation of hydrogen-generation induced blister formation during exposure to corrosive electrolyte and how the local corrosion processes evolved with exposure time. Complementary energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analysis was performed to correlate the corrosion behavior with the different intermetallic particle chemistries and distributions. The presentation will summarize our results on the effect of interface chemistry and carbon nanofiller – alloy separation on the initiation of local corrosion processes on thin film covered AA2024-T3 aluminium alloys.
Chemical and electrochemical interaction mechanisms of metal-reducing bacteria with gold surfaces
(2016)
Bacterial biofilms are considered one of the salient contributing factors to the deterioration of metals and their alloys, occurring in virtually all environments and across various industrial systems. Considering the sheer magnitude of detrimental effects, it is of pertinent interest to elucidate the interaction mechanisms of sessile bacteria with metal and metal oxide surfaces to facilitate the development of efficient antifouling strategies. A common constituent of microbial communities within aquatic and sedimentary settings, the Shewanella genus consists of facultatively aerobic, Gram-negative bacterium which exhibit exceptional plasticity in respiratory capacities. During aerobic conditions, Shewanella utilizes oxygen as a terminal electron acceptor; conversely, under anaerobic conditions, it is able to undertake respiration by reducing alternative terminal electron acceptors such as oxidized metals via extracellular electron transfer mechanisms not yet thoroughly discerned.
The aim of this work is to explicate the mechanisms governing the initial bacterial adhesion and subsequent biofilm formation on metallic surfaces. To investigate this dynamic interplay, a combined approach has been followed which couples surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) with electrochemical techniques using Shewanella sp. model biofilms. Gold nano-islands deposited on thin glass slides have been chosen as inert model substrates with good uniformity and high surface enhancement factor. Furthermore, the utilization of gold as substrate material not only allowed the differentiation of the sole effect of substrate polarization on bacterial attachment but also enabled a precise adjustment of the surface chemistry and surface energy by means of surface functionalization with organothiol self-assembled monolayers.
The results present the correlation of the primary settlement rate of bacteria on metallic substrates with the environmental parameters such as electrolyte composition and pH as well as surface-related properties like hydrophobicity/hydrophilicity and polarization. With the overall strategic goal of transferring this methodology to technical systems the results provide the fundamental basis for the bottom-up design of anti-fouling surfaces.
Chemical and electrochemical interaction mechanisms of metal-reducing bacteria with gold surfaces
(2016)
Bacterial biofilms are considered one of the salient contributing factors to the deterioration of metals and their alloys, occurring in virtually all environments and across various industrial systems. Considering the sheer magnitude of detrimental effects, it is of pertinent interest to elucidate the interaction mechanisms of sessile bacteria with metal and metal oxide surfaces to facilitate the development of efficient antifouling strategies. A common constituent of microbial communities within aquatic and sedimentary settings, the Shewanella genus consists of facultatively aerobic, Gram-negative bacterium which exhibit exceptional plasticity in respiratory capacities. During aerobic conditions, Shewanella utilizes oxygen as a terminal electron acceptor; conversely, under anaerobic conditions, it is able to undertake respiration by reducing alternative terminal electron acceptors such as oxidized metals via extracellular electron transfer mechanisms not yet thoroughly discerned.
The aim of this work is to explicate the mechanisms governing the initial bacterial adhesion and subsequent biofilm formation on metallic surfaces. To investigate this dynamic interplay, a combined approach has been followed which couples surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) with electrochemical techniques using Shewanella sp. model biofilms. Gold nano-islands deposited on thin glass slides have been chosen as inert model substrates with good uniformity and high surface enhancement factor. Furthermore, the utilization of gold as substrate material not only allowed the differentiation of the sole effect of substrate polarization on bacterial attachment but also enabled a precise adjustment of the surface chemistry and surface energy by means of surface functionalization with organothiol self-assembled monolayers.
The results present the correlation of the primary settlement rate of bacteria on metallic substrates with the environmental parameters such as electrolyte composition and pH as well as surface-related properties like hydrophobicity/hydrophilicity and polarization. With the overall strategic goal of transferring this methodology to technical systems the results provide the fundamental basis for the bottom-up design of anti-fouling surfaces.
Die volle Leistung einer auf Reibung basierenden Bremse wird erst nach einem Einlaufvorgang erreicht. Dieser ist notwendig, um auf Belag und Scheibe eine sogenannte Reibschicht aufzubauen. Da diese Zwischenschicht das Reibungsverhalten des Systems maßgeblich bestimmt, ist es wichtig, sich Klarheit über ihre chemische Zusammensetzung, Mikrostruktur und die daraus resultierenden Eigenschaften zu verschaffen.
Als Basismaterial diente ein phenolharzgebundener Belag Jurid 57-62, der mit verschiedenen Parametern (Flächenpressung und Umdrehungsgeschwindigkeit) gegen eine Stahlscheibe getestet wurde. Es wurden Dauerbremsungen von jeweils einer Stunde bzw. bis zu einem maximalen Belagverschleiß von 1 mm simuliert, wobei die Entwicklung der Reibzahl und die Oberflächentemperatur der Scheibe registriert wurde.
Zur Analyse der Reibschichten auf dem Bremsbelag wurden mehrere Methoden parallel angewandt. So wurden Verschleißpartikel, die aus der Reibschicht stammen, gesammelt bzw. abgekratzt und nach Dispergieren auf Kohlefolien direkt im Transmissionselektronenmikros-kop (TEM) untersucht. Ferner wurden von einigen ausgesuchten Belagproben Mikrotom-schnitte sowie dünne Querschnittsfolien für die TEM-Untersuchung präpariert, um den Verbund Reibschicht-Grundmaterial darstellen zu können. Als Ergänzung wurden ferner oberflächenmorphologische und –analytische Verfahren wie REM/EDX und ESCA eingesetzt.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Reibschicht nanokristallin ist, und dass fast alle anorganischen Bestandteile des Bremsbelags sowie Eisenoxid von der Bremsscheibe in sehr fein verteilter Form vorliegen. Bei Belägen ohne Metallanteil bildet eine Barium-Eisen-Sulfatphase offenbar die Grundstruktur der Reibschicht, während auf eisenhaltigen Belägen Eisenoxid dominierend ist. Die nanokristalline Mikrostruktur entsteht, ähnlich wie beim mechanischen Legieren, durch einen Mahlvorgang von Verschleißpartikeln zwischen den Reibpartnern. Bei Überlastung des Belags tritt Zersetzung der Polymer-Bindephase ein, was zu einem raschen Anstieg der Verschleißrate führt.
Time-dependent in situ measurement of atmospheric corrosion rates of duplex stainless steel wires
(2018)
Corrosion rates of strained grade UNS S32202 (2202) and UNS S32205 (2205) duplex stainless steel wires have been measured, in situ, using time-lapse X-ray computed tomography. Exposures to chloride-containing (MgCl2) atmospheric environments at 50 °C (12–15 M Cl− and pH ~5) with different mechanical elastic and elastic/plastic loads were carried out over a period of 21 months. The corrosion rates for grade 2202 increased over time, showing selective dissolution with shallow corrosion sites, coalescing along the surface of the wire. Corrosion rates of grade 2205 decreased over time, showing both selective and pitting corrosion with more localised attack, growing preferentially in depth. The nucleation of stress corrosion cracking was observed in both wires.
In the present chapter, the capabilities of Raman spectroscopy for the advanced characterisation of thin films for solar cells are reviewed. Raman spectroscopy is an optical, nondestructive technique based on the inelastic scattering of photons with elemental vibrational excitations in the material. The line shape and position of the Raman bands are determined by the crystalline structure and chemical composition of the measured samples, being sensitive to the presence of crystalline defects, impurities and strain. Presence of peaks characteristic of different phases also allows for the identification of secondary phases that are strongly related to the growth and process conditions of the films. All these aspects account for a strong interest in the analysis of the Raman spectra, providing a powerful nondestructive analytical tool for the structural and chemical assessment of the films. In addition, the combination of a Raman spectrometer with an optical microscope also allows for achieving a high spatial resolutions (of below 1 µm) when mapping surfaces and analyzing depth-resolved phase distributions in thin films.
The present chapter is divided into four main sections: The two first ones are devoted to a revision of the Fundamentals of Raman spectroscopy (Section 17.2) and Vibrational modes in crystalline materials (Section 17.3). Section 17.4 deals with the main experimental considerations involved in the design and implementation of a Raman scattering setup. This is followed by a detailed description of the application of Raman scattering for the structural and chemico-physical analysis of thin film photovoltaic materials (Section 17.5), with the identification of crystalline structure and secondary phases, evaluation of film crystallinity, analysis of chemical composition of semiconductor alloys, characterisation of nanocrystalline and amorphous layers, stress effects and crystal orientations. This includes the description of corresponding state of the art and recent case examples that illustrate the capabilities of the Raman technique for the advanced characterisation of layers and process monitoring in thin-film photovoltaic technologies.
Lanthanides doped coordination polymers (CPs) with different binding motifs were synthesized to investigate the influence of the different fluorine positions in the structure on the decay time τ of the excited states. Fluorine can be integrated into the network mechanochemically via a fluorinated organic linker, here barium tetrafluoroterephthalate Ba(p-BDC-F4)2 or directly via a metal-fluorine bond (barium terephthalate fluoride BaF(p-BDC)0.5). The CP with a metal-fluorine bond shows the highest lifetime of the excited states of lanthanides (Eu3+, Tb3+ or Eu3+& Tb3+). The excitation of the lanthanides can be performed directly via the excitation wavelength typical for lanthanides and via the excitation wavelength of the linker. This enabled the simultaneous excitation of Eu3+ and Tb3+ in one CP. In the emission spectra (λem = 393 nm) of the mixed doped CPs (Eu3+ and Tb3+) the bands of both lanthanides can be observed. The integration into the crystal lattice and the homogeneous distribution of the lanthanides in the CPs is shown by X-ray diffraction, TEM, STEM-EDS measurements and the long decay times.
Changes in the global bulk and local structures, of three different barium compounds (BaZrO3, BaF2, and BaFCl),were induced by mechanical milling and followed using X-ray powder diffraction (PXRD), subsequent microstructure analysis, and 137Ba solid state NMR spectroscopy. Harder materials like BaZrO3 experience significantly higher structural changes upon milling than softer materials like BaF2. Moreover, soft materials with layered structures, like BaFCl, show a pronounced structural change during the milling process. By combining PXRD and solid state NMR, detailed information on the changes to the global and local structures were obtained, which are of interest for mechanochemical synthesis, mechanically treated catalysts or ionic conductors.
Designing artificial macromolecules with absolute sequence order represents a considerable challenge. Here we report an advanced light-induced avenue to monodisperse sequencedefined functional linear macromolecules up to decamers via a unique photochemical approach. The versatility of the synthetic strategy—combining sequential and modular concepts—enables the synthesis of perfect macromolecules varying in chemical constitution and topology. Specific functions are placed at arbitrary positions along the chain via the successive addition of monomer units and blocks, leading to a library of functional homopolymers, alternating copolymers and block copolymers. The in-depth characterization of each sequence-defined chain confirms the precision nature of the macromolecules. Decoding of the functional information contained in the molecular structure is achieved via tandem mass spectrometry without recourse to their synthetic history, showing that the sequence information can be read.We submit that the presented photochemical strategy is a viable and advanced concept for coding individual monomer units along a macromolecular chain.
Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) are widely used for durable water-repellent finishing of different fabrics and textiles like outdoor clothing, carpets, medical textiles and more. Existing PFAS extraction techniques followed by target analysis are often insufficient in detecting widely used side-chain fluorinated polymers (SFPs) that are barely or non-extractable. SFPs are typically copolymers consisting of a non-fluorinated backbone with perfluoroalkyl side-chains to obtain desired properties. We compared the accessible analytical information and performance of complementary techniques based on oxidation (dTOP assay, PhotoTOP), hydrolysis (THP assay), standard extraction, extractable organic fluorine (EOF), and total fluorine (TF) with five functional textiles and characterized 7 further textiles only by PhotoTOP oxidation. The results show that when applied directly to textile samples, oxidation by dTOP and PhotoTOP and also hydrolysis by the THP are able to capture large fractions of the TF in form of perfluoroalkyl side-chains present in the textiles while methods relying on extracts (EOF, target and non-target analysis) were much lower (e.g., factor ~25-50 lower). The conversion of large fractions of the measured TF into PFCAs or FTOHs from fluorinated side chains is in contrast to previous studies. Concentrations ranged from <LOQ to over ~1000 mg F/kg after oxidation/hydrolysis and <LOQ to over 2000 mg F/kg for TF, while EOF and target PFAS in extracts were detected at much lower concentrations (up to ~ 60 mg F/kg) (amount of fluorine in the order: extraction << EOF << oxidation/hydrolysis ≤ TF). Perfluoroalkyl carboxylic acids (PFCAs) and fluorotelomer alcohols (FTOHs) from THP and PhotoTOP both represented the chain-length distribution in the textiles showing that long-chain SFPs are still used in current textiles. Further advantages and disadvantages of the applied methods are discussed.
The progress in X-ray detector electronics (sensitivity and speed) allows meanwhile fast single photon detection by a matrix detector. Combined photon counting and energy discrimination is implemented in the electronic circuit of each detector pixel. The company XCounter developed detectors based on CdTe single crystals, which can be tiled to larger areas and have a pixel size of 100ìm. The largest area available in beginning of 2014 is 50x75 mm². These detectors have very promising properties, which make them very suitable for NDT applications:
1. A CdTe attenuation layer of 750 µm thickness allows efficient X-ray detection up to ca. 300 keV. In counting mode only photon noise is important; no other detector noise sources need to be considered. There is no Offset signal without radiation.
2. Each of the detector pixels has two energy thresholds. These can be used for dual energy imaging for materials separation. Also the suppression of scattered radiation by energy thresholding will improve the image contrast sensitivity. First experiments will be presented which demonstrate the advantages of this new detector technology over the conventional charge integrating detectors.
A challenge is the development of a modified detector calibration procedure, which becomes critical at longer exposure times.
Der Stand der Technik beim digitalen Filmersatz in der Gussteilpruefung in Giessereien wird betrachtet.Eine Reihe von Normen fuer den Ersatz des Roentgenfilms durch neue digitale Detektoren wurde in den letzten Jahren veroeffentlicht. Die verschiedene Fehlertypen werden mit Fehlerkatalogen bewertet, die ebenfalls digital verfuegbar sind. Die Bildverarbeitung gestattet eine einfachere Bewertung der Anzeigen. Eine automatische Bewertung von Gussteilen durch den Computer erlaubt vollautomatische Anlagen, die 10 000 Teile pro Tag pruefen.
Since decades the evaluation of flaw indications on radiographs from welds or castings are based on well accepted reference film catalogues from organizations like IIW (weldments), ASTM (castings) or DGZfP (D5 recommendation on heavy steel castings). Today, the transformation of classical film radiography to the digital world is in full progress. Some ASTM standards do not permit the evaluation of digital radiographs in reference to film catalogues. Therefore, these reference film catalogues have to be converted into the digital age too. BAM is supporting this transition by high definition film scanning. The result is a corresponding reference image catalogue. The different standard organizations selected different ways to distribute the digital data. ASTM used high definition film scanning at 10 μm pixel size and distribution of a huge amount of high-res data via DVD. The user sub-samples these high-res data during catalogue import to the resolution of his system. The comparison is done by synchronized image viewing on the computer work station. IIW recently decided to distribute their ISO 5817 reference images installed on tablets, which are used for image viewing too. The tablet image has to be compared with the digital image on the system monitor. DGZfP transformed their D5 reference radiographs into a PDF for monitor viewing. This is the simplest and cheapest solution, but still allows the full usage of the catalogue in the digital era. The status of ongoing work in progress will be discussed.
Der Ersatz von Röntgenfilmen durch digitale Detektoren in der zerstörungsfreien Prüfung wurde in den letzten 10 Jahren kontrovers diskutiert. Nach der Erfolgsgeschichte der digitalen Photographie und der fast vollständigen Ablösung der Filmtechnik in der optischen Bilderfassung wurde erwartet, dass sich der Übergang von der Filmradiographie zur digitalen Radiographie schnell vollziehen sollte. Dieser Trend ist derzeit so noch nicht zu beobachten. Zur mobilen Prüfung wird in Europa immer noch vorrangig die Filmradiographie und nur teilweise die Speicherfolientechnik eingesetzt. Im Bereich der stationären Prüftechnik haben sich die Matrixdetektoren (DDA) weitgehend durchgesetzt, wobei es auch hier noch alternative Detektoren wie Bildverstärker und Fluoroskope gibt. Mit Einführung der DIN EN ISO 17636-2 wird seit 2013 erstmalig geregelt, wie man einen digitalen Detektor für die technische Radiographie auswählen soll, um im Vergleich zur Filmradiographie eine äquivalente Bildqualität zu erhalten. Essentielle Parameter bestimmen, ob die geforderte Bildgüte erreicht werden kann. Es wird ein Überblick gegeben, welche Parameter zum praktischen Einsatz wichtig sind und wie sie ermittelt werden. Erste Erfahrungen im praktischen Einsatz werden diskutiert.
Industrial Radiology is used for volumetric inspection of industrial objects. By penetration of these objects (typically weldments, pipes or castings) with X-ray or Gamma radiation the 3D-volume is projected onto a 2D image detector. The X-ray film is the oldest radiographic image detector and still in wide use in industry. The industrial X-ray film systems used today differ from these used in medicine. Medical film systems are described well in the literature, but industrial film systems not. So we start with a description of the properties and standards for industrial film systems. The requirements on image quality are defined by several standards and can be verified with different image quality indicators (IQIs). They describe the ability of the human being to detect small and low contrast indications in a noisy image background. The essential parameters for digital industrial radiology are described.
Since about 30 years electronic image detectors are gradually replacing the industrial film. These detectors are based on storage phosphor imaging plates in combination with Laser scanners (“Computed Radiography”, CR) or a variety of different digital detector arrays (DDA). Typical applications of CR and DDAs are discussed as well as new possibilities by digital image processing, which is enabled by the computer based image handling, processing and analysis.
Der Ersatz von Röntgenfilmen durch digitale Detektoren in der Zerstörungsfreien Prüfung im Anlagenbau wird seit 2013 durch neue ISO-Normen unterstützt. Nach der Erfolgsgeschichte der digitalen Photographie und der fast vollständigen Ablösung der Filmtechnik in der optischen Bilderfassung wird erwartet, dass sich der Übergang von der Filmradiographie zur digitalen Radiographie schnell vollzieht. Dieser Trend ist derzeit so noch nicht zu beobachten. Zur mobilen Prüfung wird in Europa immer noch vorrangig die Filmradiographie und nur teilweise die Computerradiographie mit Speicherfolien eingesetzt. Im Bereich der stationären Prüftechnik haben sich die Matrixdetektoren (DDA) weitgehend durchgesetzt, wobei es auch hier noch alternative Detektoren wie Bildverstärker und Fluoroskope gibt. Mit Einführung der DIN EN ISO 17636-2 zur Schweißnahtprüfung wird seit 2013 erstmalig geregelt, wie man einen digitalen Detektor für die technische Radiographie auswählen soll, um im Vergleich zur Filmradiographie eine äquivalente Bildqualität zu erhalten. Essentielle Parameter bestimmen, ob die geforderte Bildgüte (Fehlernachweißempfindlichkeit) erreicht wird. Ein Überblick zeigt, welche Parameter für den praktischen Einsatz wichtig sind und wie sie ermittelt werden. Praktische Einsatzbeispiele im Anlagenbau werden diskutiert.
In den letzten zwei Jahren wurden 11 neue Standards/Standardrevisionen zur RT veröffentlicht (ohne Strahlenschutz) und 5 werden dafür gestrichen. Es wird über die neuen Anforderungen ausgewählter Normen bzw. Normrevisionen informiert und insbesondere auch über die veränderten Parameter, die bei Prüfpraxis und bei der Klassifizierung zu berücksichtigen sind. Das wichtigste Projekt ist die Revision der DIN EN ISO 17636-1, -2, RT von Schweißverbindungen, in ISO TC 44 SC 5 WG 1. Die Standards zur Schweißnahtprüfung in der Kerntechnik, DIN 25435, wurden ins Englische übertragen und bei ISO TC 85 SC 6 bearbeitet. Hauptaktivität bei ASTM ist gegenwärtig die Überarbeitung der CT-Standards und die Berücksichtigung der Anforderungen an das dimensionelle Messen. Der Guide ASTM E 1441 zur Bestimmung von MTF, Kontrast-Detail-Funktion (CDF) und Kontrast-Diskrimination-Diagramm (CDD) wird revidiert. E 2445 zur CR Long Term Stability wird ebenfalls revidiert. Die Revision soll auch in die ISO 16371-1 eingehen. Dazu ist ein Round Robin-Test geplant. Auch die Standards zur Durchstrahlungsprüfung auf Korrosion und Ablagerungen in Rohren mit Röntgen- und Gammastrahlen (EN 16407-1, -2, 2014) wurden revidiert. Diese Revision wurde als DIN EN ISO 20769-1, -2 2018 veröffentlicht und EN 16407 wird zurückgezogen. Die Revision der Standards EN 12543 und EN 12679 zur Messung der Brennfleckgröße und der Strahlergröße ist mit Verzögerung in Überarbeitung, um die digitalen Detektoren und Messmöglichkeiten mit Bildverarbeitungsprogrammen zu berücksichtigen. Ein Entwurf zur Messung der Brennfleckgröße von nano-Fokusröhren wird derzeit vom Europäischen Metrologie-Programm EMPIR gefördert. Zur radiographischen Gussteilprüfung wurde der Standard EN 12681 revidiert und 2018 veröffentlicht. Er wurde um Zulässigkeitsgrenzen erweitert und die digitale Radiographie wurde in Teil 2 berücksichtigt.
Der Ersatz von Röntgenfilmen durch digitale Detektoren in der zerstörungsfreien Prüfung wurde in den letzten 10 Jahren kontrovers diskutiert. Nach der Erfolgsgeschichte der digitalen Photographie und der fast vollständigen Ablösung der Filmtechnik in der optischen Bilderfassung wurde erwartet, dass sich der Übergang von der Filmradiographie zur digitalen Radiographie schnell vollziehen sollte. Dieser Trend ist derzeit so noch nicht zu beobachten. Zur mobilen Prüfung wird in Europa immer noch vorrangig die Filmradiographie und nur teilweise die Speicherfolientechnik eingesetzt. Im Bereich der stationären Prüftechnik haben sich die Matrixdetektoren (DDA) weitgehend durchgesetzt, wobei es auch hier noch alternative Detektoren wie Bildverstärker und Fluoroskope gibt. Mit Einführung der DIN EN ISO 17636-2 wird seit 2013 erstmalig geregelt, wie man einen digitalen Detektor für die technische Radiographie auswählen soll, um im Vergleich zur Filmradiographie eine äquivalente Bildqualität zu erhalten. Essentielle Parameter bestimmen, ob die geforderte Bildgüte erreicht werden kann. Es wird ein Überblick gegeben, welche Parameter zum praktischen Einsatz wichtig sind und wie sie ermittelt werden. Erste Erfahrungen im praktischen Einsatz werden diskutiert.
Worldwide BAM Certification of Radigraphic Image Detectors for the NDT Market – Status of 2016
(2016)
The Poster shows the status of 2016 in BAM certification of radiographic image detectors for industrial radiology for nondestructive testing. BAM was generating first the basis by worldwide standardization activities and released later certificates on request of the device manufacturers using these Standards a base for certification.
Metallische Mikropartikel in der Größenfraktion von ca. 10 – 100 Mikrometer bilden das Grundmaterial für den additiven Aufbau komplexer Strukturen durch lokales Aufschmelzen mit einem Laserstrahl. Entscheidend für dieses Verfahren ist die Kenntnis der Größen-, Form- und Defektverteilungen von Partikelfraktionen, da sie direkten Einfluss auf die Fließfähigkeit des Pulvers während des lagenweisen Auftragens, als auch auf die finale innere Porosität des Bauteils haben. Im Pulver vorhandene Poren verlassen in der Regel das Schmelzbad vor dem Erstarren nicht wieder, da deren Konvektionszeiten größer sind als die Zeit, während der das lokale Schmelzbad besteht, so dass einmal durch die Ausgangspartikel eingebrachte Poren in der Regel auch im fertigen Bauteil verbleiben. Eine strenge Qualitätskontrolle des Ausgangspulvers ist also Voraussetzung, um hochwertige Bauteile mit geringer Restporosität zu erhalten. Der Vorteil der Röntgentomographie ist dabei, dass mit nur sehr geringem Präparationsaufwand innenliegende Poren bis zu einem Durchmesser von wenigen Mikrometern detektiert werden können. Dies ist mit konkurrierenden Verfahren (Licht- / Elektronenmikroskopie, Laserbeugung) so nicht möglich. Zusammenfassend werden wir zeigen, dass die zerstörungsfreie Bildgebung mit der Röntgen-Mikrotomographie für die Qualitätskontrolle in der additiven Fertigung ein leistungsfähiges Werkzeug ist. Wir erörtern die Grenzen der Methode durch eine numerische Studie mithilfe des Simulationsprogramms aRTist. Dabei werden verschiedene Partikelgrößen dahingehend untersucht, welche Poren mit mikroradiographischen Verfahren detektierbar sind. Dazu wird ein Modell für eine dreilagige dichteste Kugelpackung entwickelt, so dass auch Überlagerungen von Anzeigen untersucht werden können. Im Ergebnis werden verschiedene Partikel- und Porengrößenkombinationen untersucht und die entsprechenden Detektionsgrenzen bestimmt.
Neben der klassischen Durchstrahlung wird die bildgebende Röntgen-rückstreuung bisher nur sehr begrenzt eingesetzt. Vor über 20 Jahren hatte Philips mit „COMSCAN“ eine erste industrielle Anwendung in der Luftfahrt gefunden, die sogar eine Tiefenauflösung besaß. Die Firma AS&E in Boston bietet Röntgenrückstreu-Anlagen für den Sicherheitsbereich an. In diesen wird mit einem hochkollimierten Nadelstrahl aus einem rotierenden Blendenrad ein Objekt einseitig abgetastet. Zur Detektion der gestreuten Strahlung aus dem Objekt werden großflächige Detektoren direkt neben dem rotierenden Nadelstrahlkollimator eingesetzt. Ein solcher Prototyp wird an der BAM für den Einsatz in der zerstörungsfreien Prüfung untersucht und optimiert. Als neues industrielles Einsatzgebiet wird dabei die in situ Überwachung in der additiven Fertigung avisiert. Hier ist die Zugänglichkeit zum entstehenden Werkstück in den 3D-Druckanlagen stark eingeschränkt, was den Einsatz einer zweiseitigen Durchstrahlung oder der Computer-Tomographie, bei der das Objekt rotiert wird, verhindert. Auch sind die in der additiven Fertigung eingesetzten Werkstoffe (Polymere, Keramik, Leichtmetalle wie Al oder Ti) für die Rückstreuung besser geeignet als Metalle höherer Dichte, da das Streusignal mit der Ordnungszahl und der Materialdichte abnimmt. Allerdings sind die Anforderungen an räumliche Auflösung und Kontrastempfindlichkeit in der zerstörungsfreien Prüfung additiv gefertigter Bauteil deutlich höher als im Sicherheitsbereich, da hier Bauteilfehler mit typischen Dimensionen kleiner als 1 mm sicher detektiert werden müssen. Die Untersuchung dieser Grenzen des derzeitigen Standes der Röntgenrückstreutechnik mit Nadelstrahl ist ein Teilbereich des mehrjährigen BAM-Themenfeldprojektes „ProMoAM“. Im Vortrag werden die ersten Ergebnisse der Optimierung sowie die gefundenen Anwendungsgrenzen an Beispielen erläutert.
Neues aus der BAM 2019
(2019)
X-ray back scatter imaging is rarely applied compared to classical X-ray projection imaging. More than 20 years ago the company Philips developed “COMSCAN”, a first application case for aircraft industry, which allowed even a depth resolution using back scatter imaging. The company AS&E in Boston offers back scatter imaging solutions for the security market. The principle is to scan the object with a highly collimated X-ray needle beam from one side only and to detect the backscattered radiation by a large area detector side by side with the collimation wheel. A new prototype is investigated at BAM for application and optimization in non-destructive testing. As modern industrial application field in-situ inspection in additive manufacturing is targeted. The accessibility of the printed part during the production process is very limited. This prevent the application of a two sided X-ray inspection or Computed Tomography, were an rotation of the object is required to acquire projections from 360 degrees. An important advantage for the X-ray back scatter technique are also the materials used in additive manufacturing (polymers, ceramics, light metals like Aluminum or Titanium). These materials with lower density and lower Z values give better scatter signals than metals with higher densities and Z values. The back scatter intensity decreases with increasing density and Z value of the material. But the requirements on spatial resolution and contrast sensitivity are more stringent for non-destructive testing of additive manufactured parts compared to the security area. In NDT sizes of indications smaller than 1 mm have to be detected clearly. The investigation of these limits on a state-of-the-art prototype for X-ray back scattering using rotating collimated X-ray needle beams is a part of the BAM project “ProMoAM”. The contribution shows first results of the optimization for NDT and the achieved application limits for several example cases.
Der Ersatz von Röntgenfilmen durch digitale Detektoren in der Zerstörungsfreien Prüfung im Anlagenbau wird seit 2013 durch neue ISO-Normen unterstützt. Nach der Erfolgsgeschichte der digitalen Photographie und der fast voll-ständigen Ablösung der Filmtechnik in der optischen Bilderfassung wird erwartet, dass sich der Übergang von der Filmradiographie zur digitalen Radiographie schnell vollzieht. Dieser Trend ist derzeit so noch nicht zu beobachten. Zur mobilen Prüfung wird in Europa immer noch vorrangig die Filmradiographie und nur teilweise die Computerra-diographie mit Speicherfolien eingesetzt. Im Bereich der stationären Prüftechnik haben sich die Matrixdetektoren (DDA) weitgehend durchgesetzt, wobei es auch hier noch alternative Detektoren wie Bildverstärker und Fluorosko-pe gibt. Mit Einführung der DIN EN ISO 17636-2 zur Schweißnahtprüfung wird seit 2013 erstmalig geregelt, wie man einen digitalen Detektor für die technische Radiographie auswählen soll, um im Vergleich zur Filmradiographie eine äquivalente Bildqualität zu erhalten. Essentielle Parameter bestimmen, ob die geforderte Bildgüte (Fehlernachweiß-empfindlichkeit) erreicht wird. Ein Überblick zeigt, welche Parameter für den praktischen Einsatz wichtig sind und wie sie ermittelt werden. Praktische Einsatzbeispiele im Anlagenbau werden diskutiert.
Die Technologie der hybriden Teilchen (oder Photonen) zählenden Bilddetektoren wurde seit mehr als 2 Jahrzehnten durch Institutionen wie das CERN (MediPix-/ TimePix-Chips) oder das Paul-Scherrer-Institut (Pilatus-/ Eiger-Chips) entwickelt. Die Ursprünge dieser Technologie kommen aus der Hochenergie-Physik mit ihren Beschleuniger-basierten Experimenten, bei denen ein zuverlässiger und rauschfreier Nachweis jedes ionisierten Teilchens gefordert wird. Eine Energieauflösung wird ebenfalls oft verlangr. Das ist auch in der klassischen Radiographie von Nutzen, so wurden diese Detektoren auch dafür optimiert. Neueste Photonen zählenden Detektoren besitzen folgende exzellenten Bildeigenschaften: rauschfreie Photonen-Detektion in einem hohen Dynamikbereich (SNR >2500 erreichbar), hohe räumliche Auflösung (bis zu 10 µm Pixelgröße), Energieschwellen bis zur vollen spektralen Auflösung und eine sehr hohe Geschwindigkeit (bis zu Tausenden Bildern pro Sekunde). Diese hybriden Detektoren können mit hochabsorbierenden Sensorschichten aus CdTe, CZT oder GaAs bestückt werden, um bildgebende Anwendungen mit Gamma- oder harten Röntgenstrahlen zu realisieren, in denen bisher Szintillator basierende Bilddetektoren dominierten (z.B. für NDT, SPECT, PET). Im Beitrag wird der erste wirklich große Photonen zählende Detektor mit CdTe und einer lückenlosen Detektionsfläche, die aus einer theoretisch unbegrenzten Anzahl von MediPix-/ TimePix-Modulen besteht, gezeigt. Die erste kommerzielle Version eines solchen Detektors hat eine Fläche von 7cm x7cm, 1,6 Megapixel und erfüllt die Anforderungen der Prüfklasse „B“ in der industriellen Radiographie. Die Energie auflösenden Fähigkeiten dieses Detektors erlauben eine „Farb-Radiographie“, in der verschiedene Materialien in verschiedene Farben dargestellt werden. Der 2. Teil dieses Beitrags stellt einen voll spektral auflösenden Gamma- und Röntgen-Bilddetektor mit dickem CdTe und 2,4 Megapixel vor, der auf TimePix3-Chips basiert und eine sehr hohe Ortsauflösung von ~10 µm erreicht. Die hohe Zeitauflösung von TimePix3 wird mit großem Nutzen für eine substantielle Verbesserung der erhaltenen Bilder und Spektren zur Unterdrückung interner Fluoreszenzstrahlung sowie Comptonstreuungsanteilen, die die Bildinformation verschmieren, verwendet.
In den letzten zwei Jahren wurden 11 neue Standards/Standardrevisionen zur RT veröffentlicht (ohne Strahlenschutz) und 5 werden dafür gestrichen. Es wird über die neuen Anforderungen ausgewählter Normen bzw. Normrevisionen informiert und insbesondere auch über die veränderten Parameter, die bei Prüfpraxis und bei der Klassifizierung zu berücksichtigen sind. Das wichtigste Projekt ist die Revision der DIN EN ISO 17636-1, -2, RT von Schweißverbindungen, in ISO TC 44 SC 5 WG 1. Die Standards zur Schweißnahtprüfung in der Kerntechnik, DIN 25435, wurden ins Englische übertragen und bei ISO TC 85 SC 6 bearbeitet. Hauptaktivität bei ASTM ist gegenwärtig die Überarbeitung der CT-Standards und die Berücksichtigung der Anforderungen an das dimensionelle Messen. Der Guide ASTM E 1441 zur Bestimmung von MTF, Kontrast-Detail-Funktion (CDF) und Kontrast-Diskrimination-Diagramm (CDD) wird revidiert. E 2445 zur CR Long Term Stability wird ebenfalls revidiert. Die Revision soll auch in die ISO 16371-1 eingehen. Dazu ist ein Round Robin-Test geplant. Auch die Standards zur Durchstrahlungsprüfung auf Korrosion und Ablagerungen in Rohren mit Röntgen- und Gammastrahlen (EN 16407-1, -2, 2014) wurden revidiert. Diese Revision wurde als DIN EN ISO 20769-1, -2 2018 veröffentlicht und EN 16407 wird zurückgezogen. Die Revision der Standards EN 12543 und EN 12679 zur Messung der Brennfleckgröße und der Strahlergröße ist mit Verzögerung in Überarbeitung, um die digitalen Detektoren und Messmöglichkeiten mit Bildverarbeitungsprogrammen zu berücksichtigen. Ein Entwurf zur Messung der Brennfleckgröße von nano-Fokusröhren wird derzeit vom Europäischen Metrologie-Programm EMPIR gefördert. Zur radiographischen Gussteilprüfung wurde der Standard EN 12681 revidiert und 2018 veröffentlicht. Er wurde um Zulässigkeitsgrenzen erweitert und die digitale Radiographie wurde in Teil 2 berücksichtigt.
X-ray back scatter imaging is rarely applied compared to classical X-ray projection imaging. 20 years ago the company Philips developed “COMSCAN”, a first application case in the aircraft industry, which allowed even a depth resolution using back scatter imaging. The company AS&E in Boston offers back scatter imaging solutions for the security market. Their principle is to scan the object with a highly collimated X-ray needle beam from one side only and detect the backscattered radiation by a large area detector side by side with the collimation wheel. A new prototype is investigated at BAM for application and optimization in non-destructive testing. As modern industrial application field in-situ testing in additive manufacturing is targeted. The accessibility of the printed part during the production process is very limited. This prevent the application of a two sided X-ray inspection or Computed Tomography, were an rotation of the object is required to acquire projections from 360 degrees. An important advantage for the X-ray back scatter technique are also the materials used in additive manufacturing (polymers, ceramics, light metals like Aluminum or Titanium). These materials with lower density and lower Z values give better scatter signals than metals with higher densities and Z values. The back scatter intensity decreases with increasing density and Z value of the material. But the requirements on spatial resolution and contrast sensitivity are more stringent for non-destructive testing of additive manufactured parts compared to the security area. In NDT sizes of indications smaller than 1 mm have to be detected clearly. The investigation of these limits on a stateof-the-art prototype for X-ray back scattering using rotating collimated X-ray needle beams is a part of the BAM project “ProMoAM”. The contribution shows first results of the optimization for NDT and the achieved application limits for several example cases.
X-ray back scatter imaging is rarely applied compared to classical X-ray projection imaging. 20 years ago the company Philips developed “COMSCAN”, a first application case in the aircraft industry, which allowed even a depth resolution using back scatter imaging. The company AS&E in Boston offers back scatter imaging solutions for the security market. Their principle is to scan the object with a highly collimated X-ray needle beam from one side only and detect the backscattered radiation by a large area detector side by side with the collimation wheel. A new prototype is investigated at BAM for application and optimization in non-destructive testing. As modern industrial application field in-situ testing in additive manufacturing is targeted. The accessibility of the printed part during the production process is very limited. This prevent the application of a two sided X-ray inspection or Computed Tomography, were an rotation of the object is required to acquire projections from 360 degrees. An important advantage for the X-ray back scatter technique are also the materials used in additive manufacturing (polymers, ceramics, light metals like Aluminum or Titanium). These materials with lower density and lower Z values give better scatter signals than metals with higher densities and Z values. The back scatter intensity decreases with increasing density and Z value of the material. But the requirements on spatial resolution and contrast sensitivity are more stringent for non-destructive testing of additive manufactured parts compared to the security area. In NDT sizes of indications smaller than 1 mm have to be detected clearly. The investigation of these limits on a stateof-the-art prototype for X-ray back scattering using rotating collimated X-ray needle beams is a part of the BAM project “ProMoAM”. The contribution shows first results of the optimization for NDT and the achieved application limits for several example cases.
The revision of ISO 24497:2007 started in 2017 (by decision of Com-V at the IIW annual assembly in Shanghai). After 3 years of discussions and incorporation of many comments from all over the world the working group C-V-E-b headed by Uwe Zscherpel finalized the work with a final draft to be forwarded for final vote at ISO TC 44. The working group C-V-E-b finalised the work and can be resolved. The chair thanks for all the successfully work done, the vote to forward the latest draft to ISO for final vote was done without any negative.
The transition from X-ray film to digital detectors in radiography is accompanied by an increase of unsharpness due to the larger inherent digital detector unsharpness in comparison to film. The basic spatial resolution of digital detectors (see EN ISO 17636-2) is used today to describe this unsharpness. The geometrical unsharpness of the radiographic projection of object structures onto the detector plane is determined by the focal spot size of the X-ray tube and the magnification. The focal spot size is measured today (see ASTM E 1165) from pin hole camera exposures or edge unsharpness (see ASTM E 2903). The final image unsharpness is a result of a convolution of the geometrical and inherent detector unsharpness function, divided by the magnification factor of the object onto the detector plane. Different approximations of this convolution result in ASTM E 1000 and ISO 17636-2 in different optimum values for the magnification factor for a given focal spot size of a X—ray tube and the basic spatial resolution of the detector. The higher contrast sensitivity, an advantage of digital radiography, compared to film radiography is furthermore improved when using higher X-ray voltages as used with film and smaller focal spots of the X-ray tubes. This allows a higher distance between object and detector resulting in reduced object scatter in the image. The interactions between all these parameters will be discussed and simple rules for practitioners will be derived in this contribution.
Der Vortrag stellt Grundlagen und Anwendungen der industriellen Durchstrahlungsprüfung vor. Ausgehend von den Röntgenfilmen und ihren Eigenschaften werden moderne Technologien zum Filmersatz erläutert. Das sind die Computerradiographie mit Speicherfolien oder digitale Matrixdetektoren (DDA). Zentrale Frage in der industriellen Radiographie ist die erreichbare Bildqualität. Als Anwendungen werden die Korrosionsprüfung von Rohrleitungen mit CR und die Hoch-Kontrastempfindlichkeits-Radiographie mit DDAs präsentiert.
Recent developments of photon counting and energy discriminating detectors for radiographic testing
(2017)
The direct detection of X-ray photons into electrical signals is enabled by usage of highly absorbing photo conducting materials (e.g. CdTe) as detection layer of an underlying CMOS semiconductor X-ray image detector. If the read-out speed is high enough (ca. 50 – 100 ns dead time) single X-ray photons can be counted and their energy measured. Read-out noise and dark image correction can be diminished. By setting energy thresholds, selected energy ranges of the X-ray spectrum can be detected or suppressed. This allows material discrimination or reduction of scattered radiation, which results in an enhanced contrast sensitivity.
Heterogeneous Oxysulfide@Fluoride Core/ Shell Nanocrystals for Upconversion-Based Nanothermometry
(2022)
Lanthanide (Ln3+)-doped upconversion nanoparticles (UCNPs) often suffer from weak luminescence, especially when their sizes are ultrasmall (less than 10 nm). Enhancing the upconversion luminescence (UCL) efficiency of ultrasmall UCNPs has remained a challenge that must be undertaken if any practical applications are to be envisaged. Herein, we present a Ln3+-doped oxysulfide@fluoride core/shell heterostructure which shows efficient UCL properties under 980nm excitation and good stability in solution. Through epitaxial heterogeneous growth, a ∼4 nm optically inert β-NaYF4 shell was coated onto ∼5 nm ultrasmall Gd2O2S:20%Yb,1%Tm. These Gd2O2S:20%Yb,1%Tm@NaYF4 core/shell UCNPs exhibit a more than 800-fold increase in UCL intensity compared to the unprotected core, a 180-fold increase in luminescence decay time of the 3H4 → 3H6 Tm3+ transition from 5 to 900 μs, and an upconversion quantum yield (UCQY) of 0.76% at an excitation power density of 155 W/cm2. Likewise, Gd2O2S:20%Yb,2%Er@NaYF4 core/shell UCNPs show a nearly 5000-fold
increase of their UCL intensity compared to the Gd2O2S:20%Yb,2%Er core and a maximum UCQY of 0.61%. In the Yb/Er core−shell UCNP system, the observed variation of luminescence intensity ratio seems to originate from a change in lattice strain as the temperature is elevated. For nanothermometry applications, the thermal sensitivities based on thermally coupled levels are estimated for both Yb/Tm and Yb/Er doped Gd2O2S@NaYF4 core/shell UCNPs.
Das Kupferstichkabinett der Hamburger Kunsthalle besitzt seit seiner Gründung vier Zeichnungen von Leonardo da Vinci (1452–1519). Sie sind Teil eines umfangreichen Legats des Hamburger Kunsthändlers Georg Ernst Harzen, das der Stadt Hamburg für die 1869 eröffnete Kunsthalle als Besitz übereignet wurde. Die Zeichnungen gelten aufgrund ihrer Provenienzen und stilistischen Verankerung im Werk Leonardos als gesichert. Weiterführende materialtechnologische Untersuchungen wurden nun erstmals anlässlich der Ausstellung »Leonardo da Vinci – Die Zeichnungen im Hamburger Kupferstichkabinett« durchgeführt.
Polymers with intrinsic microporosity are promising candidates for the active separation layer in gas separation membranes. Here, the vibrational density of states (VDOS) for PIM-1, the prototypical polymer with intrinsic microporosity, is investigated by means of inelastic neutron scattering. The results are compared to data measured for a more conventional high-performance polyimide used in gas separation membranes (Matrimid). The measured data show the characteristic low frequency excess contribution to VDOS above the Debye sound wave level, generally known as the Boson peak in glass-forming materials. In comparison to the Boson peak of Matrimid, that of PIM-1 is shifted to lower frequencies. This shift is discussed considering the microporous, sponge-like structure of PIM-1 as providing a higher compressibility at the molecular scale than for conventional polymers. For an annealed PIM-1 sample, the Boson peak shifts to higher frequencies in comparison to the un-annealed sample. These changes in the VDOS of the annealed PIM-1 sample are related to changes in the microporous structure as confirmed by X-ray scattering.
Inelastic incoherent neutron time-of flight scattering was employed to measure the low frequency density of states for a series of addition polynorbornenes with bulky side groups. The rigid main chain in combination with the bulky side groups give rise to a microporosity of these polymers in the solid state. The microporosity characterized by the BET surfaces area varies systematically in the considered series. Such materials have some possible application as active separation layer in gas separation membranes.
All investigated materials show excess contributions to the Debye type density of states characteristic for glasses known as Boson peak. The maximum position of the Boson peak shifts to lower frequency values with increasing microporosity. Data for PIM-1 and Matrimid included for comparison are in good agreement to this dependency. This result supports the sound wave interpretation of the Boson peak.
The microscopic diffusion and the low frequency density of states (VDOS) of PIM-EATB(CH3) are investigated by inelastic and quasi-elastic neutron scattering where also the demethylated counterpart of PIM-EA-TB(H2) is considered. These intrinsic microporous polymers are characterized by large BET surface area values of several hundred m2/g and pore sizes between 0.5 and 2 nm. Detailed comparison is made to the archetype of polymers of intrinsic microporosity, PIM-1, and polynorbornenes also bearing a microporosity. Due to the wavelength of neutrons, the diffusion and vibrations can be addressed on microscopic length and time scales. From the inelastic neutron scattering experiments the low frequency density of states (VDOS) is estimated which shows excess contributions to the Debye-type VDOS known as Boson peak. It was found that the maximum frequency of the Boson peak decreases with increasing microporosity characterized by the BET surface area. However, besides the BET surface area, additional factors such as the backbone stiffness govern the maximum frequency of the Boson peak. Further the mean squared displacement related to microscopic motions was estimated from elastic fixed window scans. At temperatures above 175 K, the mean squared displacement PIM-EA-TB(CH3) is higher than that for the demethylated counterpart PIM-EA-TB(H2). The additional contribution found for PIM-EATB(CH3) is ascribed to the rotation of the methyl group in this polymer because the only difference between the two structures is that PIM-EA-TB(CH3) has methyl groups where PIM-EA-TB(H2) has none. A detailed comparison of the molecular dynamics is also made to that of PIM-1 and the microporous polynorbornene PTCNSi1. The manuscript focuses on the importance of vibrations and the localized molecular mobility characterized by the microscopic diffusion on the gas Transport in polymeric separation membranes. In the frame of the random gate model localized fluctuations can open or close bottlenecks between pores to enable the diffusion of gas molecules.
Im deutschen Eisenbahnnetz sind ca. 80 Millionen Spannbetonschwellen verbaut. Analog zu anderen Bauwerken werden Wpannbetonschwellen regelmäßig visuell inspiziert. Die Rissbildung ist bei diesen Inspektionen ein Kriterium für die Schädigung einer Spannbetonschwelle. Durch Rissbildung kann es passieren, dass Betonschwellen ihre Nutzungsdauer nicht erreichen.
The microstructure of an apatite-wollastonite (code name AP40) glass-ceramic is analyzed in this study by combining 2D microscopy, phase analysis, X-ray absorption and synchrotron X-ray refraction computed tomography (XCT and SXRCT, respectively). It is shown that this combination provides a useful toolbox to characterize the global microstructure in a wide scale range, from sub-micrometer to millimeter. The material displays a complex microstructure comprising a glassy matrix with embedded fluorapatite and wollastonite small crystals. In this matrix, large (up to 200 μm) spike-shaped structures are distributed. Such microstructural features are oriented around a central sphere, thereby forming a structure resembling a sea urchin. A unique feature of SXRCT, in contrast to XCT, is that internal interfaces are visualized; this allows one to show the 3D distribution of these urchins with exceptionally good contrast. Furthermore, it is revealed that the spike-shaped structures are not single crystals, but rather composed of sub-micrometric crystals, which are identified as fluorapatite and diopside phases by SEM-EDX analysis.
Major accidents in the process industry often lead to the release of light or dense gases, which can mean a thread to employees, local residents or to the environment. Possible scenarios are therefore analyzed and evaluated in advance for approval issues. There is a trend, where simple empirical models are being replaced with more complex numerical models. Gaussian dispersion models or models based on dimensional analysis approaches are for example, increasingly replaced by CFD simulations. The main reason for this is the potentially higher accuracy. However, usually scenarios using sharp parameter values are calculated, since comprehensive consideration of parameter distributions via Monte Carlo or Latin Hypercube Sampling fails due to the numerical effort. This includes the risk that the influence of uncertainties on the simulation results is not taken into account. Response surface methods offer an alternative, with which the CFD problem can be mapped onto an algebraic surrogate model. If this is sufficiently precise, parameter sampling can also be carried out with the surrogate as well, as shown in some publications. Previous investigations only demonstrated the basic principle using trivial dispersion models. In this paper two realistic CFD simulations from the plant safety area are considered: VOC emissions from a storage tank and near-ground dense gas emissions. The entire procedure of response surface determination and parameter studies was automated and parallelized for high-performance-computing, and is carried out on the underlying CFD grids. For the CFD simulations as well as for all visualizations, the commercial software ANSYS CFX and the open source software OpenFOAM were used. The aim of this paper is to demonstrate the method using industry-relevant applications as well as to show how this can be used in practical engineering applications. The quality of surrogate modeling, the numerical effort and advantages that can result from the procedure are discussed as well as advantages which may result from taking parameter uncertainties into account in safety studies.
Determination of elemental mass fractions in sediments plays a major role in evaluating the environmental status of aquatic ecosystems. Herewith, the optimization of a new total digestion protocol and the subsequent analysis of 48 elements in different sediment reference materials (NIST SRM 2702, GBW 07313, GBW 07311 and JMC-2) based on ICP-MS/MS detection is presented. The developed method applies microwave acid digestion and utilizes HBF4 as fluoride source for silicate decomposition. Similar to established protocols based on HF, HBF4 ensures the dissolution of the silicate matrix, as well as other refractory oxides. As HBF4 is not acutely toxic; no special precautions have to be made and digests can be directly measured via ICP-MS without specific sample inlet systems, evaporation steps or the addition of e.g. H3BO3, in order to mask excess HF. Different acid mixtures with and without HBF4 were evaluated in terms of digestion efficiency based on the trace metal recovery. The optimized protocol (5 mL HNO3, 2 mL HCL, 1 mL HBF4) allows a complete dissolution of the analyzed reference materials, as well as quantitative recoveries for a wide variety of certified analytes. Low recoveries for e.g. Sr, Ba and rare earth elements due to fluoride precipitation of HF-based digestions protocols, can be avoided by the usage of HBF4 instead. Based on the usage of high purity HBF4 all relevant trace, as well as matrix elements can be analyzed with sufficiently low LOQs (0.002 μg L−1 for U up to 6.7 μg L−1 for Al). In total, 34 elements were within a recovery range of 80%–120% for all three analyzed reference materials GBW 07313, GBW 07311 and JMC-2. 14 elements were outside a recovery range of 80%–120% for at least one of the analyzed reference materials.
Das Projekt befasst sich mit einem neuen Ansatz, den pH-Wert im Beton zu bestimmen.
Der pH-Wert ist vor allem für Stahlbeton-Bauwerke von Bedeutung, da dieser maßgeblich die Korrosion des Stahls beeinflusst. Im frischen Beton liegt der pH-Wert im basischen Bereich.
Der Stahl ist in diesem Bereich passiviert, also vor schädlicher Korrosion geschützt. Durch die sogenannte Karbonatisierung sinkt der pH-Wert und die Korrosionswahrscheinlichkeit steigt deutlich an. Die Stabilität von Bauwerken in denen Stahlbeton verbaut ist, wird durch diese Korrosion langfristig beeinträchtigt. Allein in deutscher Infrastruktur rechnet man mit circa 5 Milliarden Euro Schaden jährlich.
Die entwickelte Methode verwendet Sonden, welche die Korrosion Monitoren sollen. Im Sondeninneren befindet sich eine Schicht pH-Indikator (Thymolblau) und eine Schicht mit Quantenpunkten. Die Quantenpunkte fluoreszieren, nach Anregung durch zum Beispiel einen Laser, bei circa 440 nm (blau) beziehungsweise 610 nm (gelb-orange). Das Thymolblau ist im basischen Milieu (pH > 9,6) blau, im neutralen Milieu (um pH 7) gelb-orange. Der Indikator wirkt wie ein Farbfilter und lässt, je nach pH-Wert, unterschiedliche Wellenlängen zur Glasfaser durch. Aus der gemessenen Intensität bei 440 nm und 610 nm kann ein Verhältnis ermittelt werden. Dieses Verhältnis lässt erkennen, welchen pH-Wert das Milieu besitzt, in dem sich die Sonde befindet.
Die entwickelte Methodik ist zerstörungsfrei, das heißt kein Material muss aus den Bauwerken entnommen werden. Vielmehr sollen die Sonden beim Betonieren in das Bauwerk eingebettet werden. Über Glasfasern können die Sonden jederzeit angesprochen werden. Dies ermöglicht permanentes pH-Monitoring, was die Früherkennung von Korrosionsgefahr verbessert und die Sanierungskosten verringert.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Validierung eingebetteter Sensorik zur pH-Wert Bestimmung basierend auf Fluoreszenspektroskopie.
Bisherige Karbonatisierungsmessungen basieren auf zerstörenden Methoden. Durch das Einbetonieren von immer erreichbaren pH-Sonden wird die Überprüfung zerstörungsfrei.
Um ein fehlerfreies, reproduzierbares Ergebnis zu gewährleisten, mussten diese pH-Sonden zunächst getestet und eine ausreichend präzise Methode zur Messung entwickelt werden.
Durch das Vorgeben unterschiedlicher pH-Milieus und dem Testen verschiedener Messmethoden und Versuchsaufbauten werden Situationen im Beton simuliert.
Hierzu werden die pH-Sonden mit unterschiedlich starken basischen und neutralen Lösungen in Kontakt gebracht, wodurch der in den Sonden befindliche Indikator je nach pH-Wert eine blaue oder orange Färbung annimmt. In den Sonden befindliche Quantenpunkte werden durch einen Laser angeregt. Diese Quantenpunkte fluoreszieren aufgrund der Anregung im blauen und orangen Spektrum. Mithilfe der Fluoreszenzspektroskopie wird die durch den Indikator gefilterte Fluoreszenz in Reflexion und Transmission gemessen. Die Ergebnisse werden genutzt, um ein Verhältnis zwischen den zwei Wellenlängen zu berechnen, anhand dessen zu erkennen ist, welche Farbe der Indikator in den Sonden angenommen hat. Die experimentelle Validierung dient der Optimierung der Methodik, des Versuchsaufbaus und der Zusammensetzung der Sonden. Nach eine Reihe unterschiedlicher Versuche, werden Bedingungen geschaffen, welche zu den gewünschten Ergebnissen führen. Das in Reflexion gemessene Licht kann Aussage darüber geben, welche Farbe der Indikator annimmt und das Verhältnis zwischen dem blauen und dem orangen Spektrum gibt die erwarteten Werte zurück. Die Ergebnisse dieser Arbeit sollen in Betonprobekörpern angewandt werden, um die hier erprüfte Methode in Realbedingungen zu testen.
Online NMR spectroscopy is an excellent tool to study complex reacting multicomponent mixtures and gain process insight and understanding. For online studies under process conditions, flow NMR probes can be used in a wide range of temperature and pressure. This paper compiles the most important aspects towards quantitative process NMR spectroscopy in complex multicomponent mixtures and provides examples. After NMR spectroscopy is introduced as an online method and for technical samples without sample preparation in deuterated solvents, influences of the residence time distribution, pre-magnetization, and cell design are discussed. NMR acquisition and processing parameters as well as data preparation methods are presented and the most practical data analysis strategies are introduced.
Medium resolution nuclear magnetic resonance spectroscopy (MR-NMR) currently develops to an important analytical tool for both quality control and process monitoring. One of the fundamental acceptance criteria for online MR-MNR spectroscopy is a robust data treatment and evaluation strategy with the potential for automation. The MR-NMR spectra were treated by an automated baseline and phase correction using the minimum entropy method. The evaluation strategies comprised direct integration, automated line fitting, indirect hard modeling, and partial least squares regression.
Medium-resolution nuclear magnetic resonance spectroscopy (MR-NMR) currently develops to an important analytical tool for both quality control and processmonitoring. In contrast to high-resolution onlineNMR (HR-NMR),MR-NMRcan be operated under rough environmental conditions. A continuous re-circulating stream of reaction mixture fromthe reaction vessel to the NMR spectrometer enables a non-invasive, volume integrating online analysis of reactants and products. Here, we investigate the esterification of 2,2,2-trifluoroethanol with acetic acid to 2,2,2-trifluoroethyl acetate both by 1H HR-NMR (500MHz) and 1H and 19F MRNMR (43MHz) as amodel system. The parallel online measurement is realised by splitting the flow,which allows the adjustment of quantitative and independent flow rates, both in the HR-NMR probe as well as in the MR-NMR probe, in addition to a fast bypass line back to the reactor. One of the fundamental acceptance criteria for online MR-MNR spectroscopy is a robust data treatment and evaluation strategy with the potential for automation. The MR-NMR spectra are treated by an automated baseline and phase correction using the minimum entropy method. The evaluation strategies comprise (i) direct integration, (ii) automated line fitting, (iii) indirect hard modelling (IHM) and (iv) partial least squares regression (PLS-R). To assess the potential of these evaluation strategies for MR-NMR, prediction results are compared with the line fitting data derived from the quantitative HR-NMR spectroscopy. Although, superior results are obtained from both IHM and PLS-R for 1H MR-NMR, especially the latter demands for elaborate data pretreatment, whereas IHM models needed no previous alignment.
The development of innovative medium resolution NMR spectrometers (MR-NMR) is remarkable due to their possible applications in quality control, education, or process monitoring.
The use of compact permanent magnets allows to employ NMR devices in an industrial environment without high maintenance requirements and without the need for cryogenic liquids.
A benchtop 43 MHz MR-NMR spectrometer was used for reaction monitoring. Quasi-simultaneous proton and fluorine NMR spectra were acquired. Automatic data pretreatment and evaluation methods were applied and compared to quantitative 500 MHz HR-NMR spectroscopy
Im Bereich der optisch angeregten Thermografie haben sich Blitzlampen (impulsförmig-flächige Erwärmung) und Halogenlampen (moduliert-flächige Erwärmung) für die spezifischen Regime Impuls- und Lockin-Thermografie etabliert.
Mittels eines rasternden fokussierten Lasers wird die Flying-spot Laserthermografie z.B. zur Risserkennung (Dauerstrichbetrieb) und die photothermische Materialcharakterisierung (hochfrequent moduliert)implementiert. Durch die Verfügbarkeit neuer Technologien (schnelle und hochauflösende IR-Kameras, brillante innovativer Lichtquellen und performante Datenakquisitions- und Verarbeitungstechnik) wird ein Paradigmenwechsel von den getrennt voneinander stehenden photothermischen und
thermografischen Techniken hin zu einer einheitlichen quantitativen Mess-und Prüftechnik ermöglicht, die schneller und präziser ist. Ähnlich wie ein LED-Array, jedoch mit einer um zwei Größenordnungen höheren Bestrahlungsstärke, steht jetzt eine neuartige brillante Laserquelle, das VCSEL-Array (vertical-cavity surface-emitting laser) zur Verfügung, welches die starke Beschränkung der zeitlichen Dynamik der etablierten Lichtquellen aufhebt und gleichzeitig spektral sauber von der Detektionswellenlänge getrennt ist. Es vereint somit das schnelle zeitliche Verhalten eines Diodenlasers mit der hohen optischen Bestrahlungsstärke und dem großen Beleuchtungsbereich von Blitzlampen. Darüber hinaus kann die Erwärmung auch strukturiert vorgenommen werden, da einzelne Bereiche des VCSEL-Arrays unabhängig voneinander angesteuert werden können. Dieser neue Freiheitsgrad ermöglicht die Entwicklung ganz neuer thermografischer ZfP-Verfahren.
In the field of optically excited thermography, flash lamps (impulse shaped planar heating) and halogen lamps (modulated planar heating) have become established for the specific regimes of impulse and lock-in thermography. Flying-spot laser thermography is implemented by means of a rasterized focused laser, e. g. for crack detection (continuous wave operation) and photothermal material characterization (high-frequency modulated). The availability of novel technologies, i. e. fast and high-resolution IR cameras, brilliant innovative light sources and high-performance data acquisition and processing technology will enable a paradigm shift from stand-alone photothermal and thermographic techniques to uniform quantitative measurement and testing technology that is faster and more precise. Similar to an LED array, but with irradiance two orders of magnitude higher, a new type of brilliant laser source, i. e. the VCSEL array (vertical-cavity surface-emitting laser), is now available. This novel optical energy source eliminates the strong limitation to the temporal dynamics of established light sources and at the same time is spectrally clearly separated from the detection wavelength. It combines the fast temporal behavior of a diode laser with the high optical irradiance and the wide illumination area of flash lamps. In addition, heating can also be carried out in a structured manner, because individual areas of the VCSEL array can be controlled independently of each other. This new degree of freedom enables the development of completely new thermographic NDT methods.
Mit Laserlicht kann man eine Materialoberfläche berührungslos und schnell moduliert aufheizen. Dabei entsteht eine stark gedämpfte Wärmewelle, die tief ins Material eindringen kann. Erzeugt und überlagert man solche thermischen Wellen auf kohärente Weise, dann kann man damit versteckte Materialfehler zerstörungsfrei und sehr präzise aufspüren. Sogar eine bildgebende Tomografie ist denkbar.
Impact damages and delaminations in fibre-reinforced composites (FRC) might not be visible at the surface, but could have an influence on the resistance and on the long-term behaviour of the component. Therefore, and especially for safety relevant structures, non-destructive methods are required for the assessment of such damages.
Active thermography methods are suitable to characterize damages after loading using different kind of excitation techniques and various configurations of infrared (IR) camera and heating sources. Here, flash lamps, impulse excitation with infrared radiator and lock-in technique with halogen lamps or widened laser beams are suited. In addition, non-optical sources like sonotrodes (requiring direct contact to the structure) or induction generators (only suited for carbon fibre reinforced polymer (CFRP) structures) could be applied as well. For the investigation of the evolution of the damage during the impact, passive thermography can be applied in-situ. Elastic and plastic deformations alter the temperature of the structure and thus the temperature on the surface.
In this contribution, at first the general principles of quantitative defect characterisation in FRC using active thermography with flash, impulse and lock-in excitation are described. Optical and thermal properties of the FRC material and its anisotropy are considered. Results of phase differences obtained at flat bottom holes with flash and lock-in thermography are compared for qualifying both methods for quantitative defect characterization. Secondly, the damage evolution of CFRP and GFRP structures under impact load and static tensile loading is described. The spatial and temporal evolution of the surface temperature enables us to distinguish matrix cracks or fibre-matrix separation from delaminations between the layers. Afterwards, all results for loading defects, obtained by passive and active thermography, are compared with each other. Fig. 1 and 2 show the difference of passive and flash thermography obtained at impact and tensile loaded CFRP plates, respectively. As one purpose of these investigations is the development of standards within national (DIN) and European (CEN) standardisation bodies, new draft and final standards are presented and further needs are discussed at the end of the presentation.
In vielen Umgebungen, besonders bei hohen Temperaturen, korrosiven Umgebungen oder auf bewegten oder schlecht zugänglichen Flächen, kann die Temperatur nicht oder nur mit nicht akzeptablem Aufwand mit Berührungsthermometern gemessen werden. Diese Umgebungsbedingungen sind unter anderem in der chemischen Industrie, der Lebensmittel-, Metall-, Glas-, Kunststoff- und Papierherstellung sowie bei der Lacktrocknung anzutreffen. In diesen Bereichen kommen Strahlungsthermometer zum Einsatz. Der VDI-Statusreport zeigt typische Anwendungsfelder von nicht radiometrisch kalibrierten Wärmebildkameras und von radiometrisch kalibrierten Thermografiekameras. Um verlässlich mit spezifizierten Messunsicherheiten berührungslos Temperaturen zu messen, müssen die Strahlungsthermometer und Thermografiekameras nicht nur kalibriert, sondern radiometrisch und strahlungsthermometrisch umfassend charakterisiert werden. Auch die optische Materialeigenschaft, der spektrale Emissionsgrad und die Gesamtstrahlungsbilanz (Strahlung des Messobjekts und der Umgebung) sind bei der industriellen Temperaturmessung von großer Bedeutung. In den letzten Jahrzehnten ist dazu ein umfassendes technisches Regelwerk entstanden, das wir Ihnen mit diesem VDI-Statusreport vorstellen. Manche in den Richtlinien beschriebenen Kennwerte mögen abstrakt wirken. In diesem Statusreport zeigen wir an konkreten Beispielen, was diese Kenngrößen für die berührungslose Temperaturmessung bedeuten. Beispiele von Anwendungen zeigen, wo temperaturmessende Thermografiekameras und ausschließlich bildgebende Wärmebildkameras in der Praxis eingesetzt werden. Mit einer Analyse, welche Themen und Anwendungen derzeit besonders intensiv diskutiert werden, versuchen wir Trends für zukünftige Entwicklungen herauszuarbeiten.
Using spatial and temporal shaping of laser-induced diffuse thermal wave fields in thermography
(2020)
The diffuse nature of thermal waves is a fun-damental limitation in thermographic nonde-structive testing. In our studies we investigated different approaches by shaping the thermal wave fields which result from heating. We have used high-power laser sources to heat metallic samples. Using these spatial and temporal shaping techniques leads to a higher detection sensitivity in our measurements with the infra-red camera. In this contribution we show our implementation of shaping laser-induced diffuse thermal wave fields and the effect on the defect reconstruction quality.
Die Thermografie ist trotz ihrer ausgereiften wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen ein noch relativ junges Mitglied in der Familie der zerstörungsfreien Prüfverfahren. Sie erschließt sich aufgrund einer Reihe von Vorzügen eine wachsende Anwenderschaft. Für eine weitere Verbreitung insbesondere im industriellen Kontext spielen Normen, Standards und Richtlinien eine wichtige Rolle. In diesem Beitrag wird der aktuelle Stand der Normierung vorgestellt. Wir werden zeigen, welche Grundlagennormen und Anwendungsnormen es für die Thermografie in Deutschland und international gibt und wir wagen einen Blick in die Zukunft. Darüber hinaus lebt auch die Normierungsarbeit von der Beteiligung durch interessierte Kreise. Dies können industrielle und akademische Anwender*innen, Hersteller*innen von Geräten, Forschungseinrichtungen oder Dienstleistungsunternehmen sein. Sie können gern Ihre Bedarfe bezüglich Normierungsprojekten mitbringen und/oder direkt an die Autoren senden.
Optical lock-in thermography is a completely contactless and very sensitive NDT technique. As an optical source of energy, incandescent lamps are most commonly used because they are relatively inexpensive and offer high irradiances at the test specimen. However, they are strongly restricted by their low modulation bandwidth with a maximum modulation frequency of only about 1 Hz. The use of high-power kilowatt-class laser sources, e.g. diode laser arrays, pushes this constraint beyond 100 Hz. This allows for the exploration of the near-surface region of metals and layer systems with better and more accurate penetration depth and depth resolution. Moreover, these lasers are virtually free of any additional thermal radiation that could interfere with the “true” thermal response emitted from the heated sample. In turn, they can be easily used in a one-sided test configuration.
We present current activities with kilowatt-class high-power laser sources for advanced lock-in thermography and focus on the application of laser arrays that offer a very high irradiation strength over a large sample area beyond the mentioned advantages.
Optical lock-in thermography is a completely contactless and very sensitive NDT technique. As an optical source of energy, incandescent (i.e. halogen) lamps are most commonly used because they are relatively inexpensive and offer high irradiances at the test site. However, they are strongly restricted by their low modulation bandwidth with a maximum modulation frequency of only about 1 Hz. The use of high-power kilowatt-class laser sources, e.g. diode laser arrays, pushes this constraint beyond 100 Hz, see Fig.1. This allows for the exploration of the near-surface region of metals and layer systems with better and more accurate penetration depth and depth resolution. Moreover, these lasers are virtually free of any additional thermal radiation that could interfere with the “true” thermal response emitted from the heated sample. In turn, they can be easily used in a one-sided test configuration.
Using the one-dimensional solution to the thermal heat diffusion equation together with the absorptance of the material which is illuminated with a harmonically modulated light source, we can calculate the temperature oscillation at the surface of a solid. As a second step, we calculate the corresponding oscillation of the total thermal emission using Stefan-Boltzmann law as a first order approximation and taking into account the emissivity of the material. Within this framework we can calculate the minimal irradiance of a light source necessary to provoke a measurable signal within a thermographic camera at a noise equivalent temperature difference (NETD) of 30 mK. In Fig. 2 this relationship is displayed for a wide spectrum of modulation frequencies and for a number of different light sources scaled to the same electrical input power and illumination area. Using this figure, it is now easily possible to analyze the range of materials to be tested using lock-in thermography, since only the materials (dotted lines) below the irradiance-vs-frequency curves (solid lines) are heated in excess of the camera’s NETD. This figure clearly shows that laser sources considerably increase the application range of lock-in thermography, since especially for metals with a high reflectance and high thermal diffusivity a high irradiance is vitally important to allow for lock-in texting.
We present current activities with kilowatt-class high-power laser sources for advanced lock-in thermography and focus on the application of laser arrays that offer a very high irradiation strength over a large sample area beyond the mentioned advantages.
Optical lock-in thermography is a completely contactless and very sensitive NDT technique. As an optical source of energy, incandescent (i.e. halogen) lamps are most commonly used because they are relatively inexpensive and offer high irradiances at the test site. However, they are strongly restricted by their low modulation bandwidth with a maximum modulation frequency of only about 1 Hz. The use of high-power kilowatt-class laser sources, e.g. diode laser arrays, pushes this constraint beyond 100 Hz, see Fig.1. This allows for the exploration of the near-surface region of metals and layer systems with better and more accurate penetration depth and depth resolution. Moreover, these lasers are virtually free of any additional thermal radiation that could interfere with the “true” thermal response emitted from the heated sample. In turn, they can be easily used in a one-sided test configuration.
Using the one-dimensional solution to the thermal heat diffusion equation together with the absorptance of the material which is illuminated with a harmonically modulated light source, we can calculate the temperature oscillation at the surface of a solid. As a second step, we calculate the corresponding oscillation of the total thermal emission using Stefan-Boltzmann law as a first order approximation and taking into account the emissivity of the material. Within this framework we can calculate the minimal irradiance of a light source necessary to provoke a measurable signal within a thermographic camera at a noise equivalent temperature difference (NETD) of 30 mK. In Fig. 2 this relationship is displayed for a wide spectrum of modulation frequencies and for a number of different light sources scaled to the same electrical input power and illumination area. Using this figure, it is now easily possible to analyze the range of materials to be tested using lock-in thermography, since only the materials (dotted lines) below the irradiance-vs-frequency curves (solid lines) are heated in excess of the camera’s NETD. This figure clearly shows that laser sources considerably increase the application range of lock-in thermography, since especially for metals with a high reflectance and high thermal diffusivity a high irradiance is vitally important to allow for lock-in texting.
We present current activities with kilowatt-class high-power laser sources for advanced lock-in thermography and focus on the application of laser arrays that offer a very high irradiation strength over a large sample area beyond the mentioned advantages.
Im Bereich der optisch angeregten Thermografie haben sich Blitzlampen (impulsförmig-flächige Erwärmung) und Halogenlampen (moduliert-flächige Erwärmung) für die spezifischen Regime Impuls- und Lockin-Thermografie etabliert.
Mittels eines rasternden fokussierten Lasers wird die Flying-spot Laserthermografie z.B. zur Risserkennung (Dauerstrichbetrieb) und die photothermische Materialcharakterisierung (hochfrequent moduliert)implementiert. Durch die Verfügbarkeit neuer Technologien (schnelle und hochauflösende IR-Kameras, brillante innovativer Lichtquellen und performante Datenakquisitions- und Verarbeitungstechnik) wird ein Paradigmenwechsel von den getrennt voneinander stehenden photothermischen und thermografischen Techniken hin zu einer einheitlichen quantitativen Mess-und Prüftechnik ermöglicht, die schneller und präziser ist. Ähnlich wie ein LED-Array, jedoch mit einer um zwei Größenordnungen höheren Bestrahlungsstärke, steht jetzt eine neuartige brillante Laserquelle, das VCSEL-Array (vertical-cavity surface-emitting laser) zur Verfügung, welches die starke Beschränkung der zeitlichen Dynamik der etablierten Lichtquellen aufhebt und gleichzeitig spektral sauber von der Detektionswellenlänge getrennt ist. Es vereint somit das schnelle zeitliche Verhalten eines Diodenlasers mit der hohen optischen Bestrahlungsstärke und dem großen Beleuchtungsbereich von Blitzlampen. Darüber hinaus kann die Erwärmung auch strukturiert vorgenommen werden, da einzelne Bereiche des VCSEL-Arrays unabhängig voneinander angesteuert werden können. Dieser neue Freiheitsgrad ermöglicht die Entwicklung ganz neuer thermografischer ZfP-Verfahren.
Among the photothermal methods, full-field thermal imaging is used to characterize materials, to determine thicknesses of layers, or to find inhomogeneities such as voids or cracks. The use of classical light sources such as flash lamps (impulse heating) or halogen lamps (modulated heating) led to a variety of nondestructive testing methods, in particular lock-in and flash-thermography.
In vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs), laser light is emitted perpendicular to the surface with a symmetrical beam profile. Due to the vertical structure, they can be arranged in large arrays of many thousands of individual lasers, which allows power scaling into the kilowatt range. Recently, a high-power yet very compact version of such a VCSEL-array became available that offers both the fast timing behavior of a laser as well as the large illumination area of a lamp.
Moreover, it allows a spatial and temporal control of the heating because individual parts of the array can be controlled arbitrarily in frequency, amplitude, and phase. In conjunction with a fast infrared camera, such structured heating opens up a field of novel thermal imaging and testing methods. As a first demonstration of this ansatz, we chose a testing problem very challenging to conventional thermal infrared testing: The detection of very thin subsurface defects perpendicularly oriented to the surface of metallic samples. First, we generate destructively interfering thermal wave fields which are then affected by the presence of defects within their reach. It turned out that this technique allows highly sensitive detection of subsurface defects down to depths in excess of the usual thermographic rule of thumb, with no need for a reference or surface preparation.
Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs) sind Diodenlaser, welche Laserstrahlung mit gutem Strahlprofil senkrecht zur Chipoberfläche emittieren. Aufgrund dieser vertikalen Bauweise können sie in großen Arrays zu vielen tausenden einzelnen Lasern zusammengefasst werden. Solch ein VCSEL-Array vereint das schnelle zeitliche Verhalten eines Diodenlasers mit der hohen optischen Bestrahlungsstärke und dem großen Beleuchtungsbereich von Blitzlampen oder LEDs und kann damit potentiell alle herkömmlichen Lichtquellen der Thermografie ersetzen.
Darüber hinaus kann der Prüfkörper mithilfe dieser Lichtquelle strukturiert erwärmt werden, da einzelne Bereiche des VCSEL-Arrays unabhängig voneinander angesteuert werden können. Dieser neue Freiheitsgrad ermöglicht die Entwicklung neuer thermografischer ZfP-Verfahren. Wir demonstrieren diesen Ansatz anhand eines für die konventionelle Thermografie nur sehr bedingt lösbaren Prüfproblems, der Detektion vertikal zur Oberfläche ausgerichteter, sehr dünner, verdeckter Defekte in metallischen Werkstoffen. Wir erzeugen hierzu destruktiv interferierende thermische Wellenfelder. Defekte im Einflußbereich dieser thermischen Wellenfelder stören die destruktive Interferenz und erlauben eine hochsensible Detektion bis in Tiefen jenseits der üblichen thermografischen Faustformel, ohne Referenz und ohne Oberflächenbehandlung.
Optical lock-in thermography is a completely contactless and very sensitive NDE technique. As an optical source of energy, incandescent (i.e. halogen) lamps are most commonly used because they are relatively inexpensive, do not need any work safety measures and offer high irradiances at the test site. However, they are strongly restricted by their low modulation bandwidth with a maximum modulation frequency of only about 1 Hz. The use of high-power kilowatt-class laser sources, e.g. diode laser arrays, pushes this constraint beyond 100 Hz. This allows for the exploration of the near-surface region of metals and layer systems with better and more accurate penetration depth and depth resolution. Moreover, these lasers are virtually free of any additional thermal radiation that could interfere with the “true” thermal response emitted from the heated sample. In turn, they can be easily used in a one-sided test configuration. Altogether using lasers considerably increases the application range of lock-in thermography, since especially for metals with a high reflectance and high thermal diffusivity a high irradiance is vitally important to allow for lock-in testing [1, 2]. We report on the mentioned benefits of using such high-power lasers and analyze the range of materials to be tested using lock-in thermography in dependence on the laser irradiance, the modulation frequency, the infrared camera as well as the optical and thermal material parameters. In this context, we also address a number of systematic errors caused by the use of ideal and non-ideal heat sources. For example, the measured phase angle in lock-in thermography depends on the irradiance and the modulation bandwidth of the source. This in turn has a decisive influence on the uncertainty in the quantification of, e.g. layer thicknesses.
Die Thermografie ist trotz ihrer ausgereiften wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen ein noch relativ junges Mitglied in der Familie der zerstörungsfreien Prüfverfahren. Sie erschließt sich aufgrund einer Reihe von Vorzügen eine wachsende Anwendungsgemeinde. Für eine weitere Verbreitung insbesondere im industriellen Kontext spielen Normen, Standards und technische Regeln eine wichtige Rolle. In diesem Beitrag wird der aktuelle Stand der Normung in Deutschland vorgestellt. Wir zeigen, welche Normen und technischen Regeln es für die Thermografie in Deutschland und international gibt und wir wagen einen Blick in die Zukunft. Darüber hinaus lebt auch die Normierungsarbeit von der Beteiligung durch interessierte Kreise. Dies können industrielle und akademische Anwender*innen, Hersteller*innen von Geräten, Forschungseinrichtungen oder Dienstleistungsunternehmen sein. Sie können gern Ihre Bedarfe bezüglich Normierungsprojekten mitbringen und/oder direkt an die Autoren senden.
Die Thermografie ist trotz ihrer ausgereiften wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen ein noch relativ junges Mitglied in der Familie der zerstörungsfreien Prüfverfahren. Sie erschließt sich aufgrund einer Reihe von Vorzügen eine wachsende Anwendungsgemeinde. Für eine weitere Verbreitung insbesondere im industriellen Kontext spielen Normen, Standards und technische Regeln eine wichtige Rolle. In diesem Beitrag wird der aktuelle Stand der Normung in Deutschland vorgestellt. Wir zeigen, welche Normen und technischen Regeln es für die Thermografie in Deutschland und international gibt und wir wagen einen Blick in die Zukunft. Darüber hinaus lebt auch die Normierungsarbeit von der Beteiligung durch interessierte Kreise. Dies können industrielle und akademische Anwender*innen, Hersteller*innen von Geräten, Forschungseinrichtungen oder Dienstleistungsunternehmen sein. Sie können gern Ihre Bedarfe bezüglich Normierungsprojekten mitbringen und/oder direkt an die Autoren senden.
Due to their high irradiance and wide modulation bandwidth, high-power lasers open up a wide field of application. For example, the classical methods of pulse and lock-in thermography can be realized in high quality. In addition, structured heating is also possible by using arrays of such lasers. This makes it possible to implement new thermographic methods, such as interference-based detection of cracks or super resolution.
Die thermografische ZfP basiert auf der Wechselwirkung von thermischen Wellen mit Inhomogenitäten. Diese Inhomogenitäten hängen mit der Probengeometrie oder der Materialzusammensetzung zusammen. Obwohl die Thermografie für ein breites Spektrum von Inhomogenitäten und Materialien geeignet ist, ist die grundlegende Einschränkung die diffuse Natur der thermischen Wellen und die Notwendigkeit, ihre Wirkung lediglich an der Probenoberfläche radiometrisch messen zu können. Die Ausbreitung der thermischen Wellen von der Wärmequelle über die Inhomogenität zur Detektionsoberfläche führt zu einer Verschlechterung des räumlichen Auflösungsvermögens der thermografischen Technik. Ein neuer konzertierter Ansatz auf Basis einer räumlich strukturierten Erwärmung und einer Joint Sparsity des Signalensembles ermöglicht eine verbesserte Rekonstruktion von Inhomogenitäten.
Im Beitrag wird die Implementierung dieses Ansatzes auf Basis einer strukturierten Beleuchtung mit einem 1D-Laser-Array vorgestellt. Die einzelnen Emitterzellen des Laser-Arrays werden durch ein pseudozufälliges Binärmuster gesteuert und zusätzlich leicht verschoben. Die wiederholte Messung dieser verschiedenen Konfigurationen bei gleichzeitig konstanter Inhomogenität ermöglicht eine Rekonstruktion der Inhomogenität unter Ausnutzung der Joint Sparsity.
Das thermografische Nachweisprinzip beruht auf der Analyse von instationären Temperaturverteilungen, welche durch die Wechselwirkung eines von außen zugeführten Wärmestroms mit der inneren Geometrie des Prüfobjekts oder mit darin eingeschlossenen Inhomogenitäten verursacht werden. Eine äquivalente Beschreibung dieses wechselwirkenden Wärmestroms ist die Ausbreitung von Wärmewellen im Inneren des Prüfobjekts. Obwohl die Thermografie für die Erkennung einer Vielzahl von Inhomogenitäten und für die Prüfung verschiedenster Materialien geeignet ist, besteht die grundlegende Einschränkung in der diffusen Natur der Wärmewellen und der Notwendigkeit, ihre Wirkung nur an der Prüfobjektoberfläche radiometrisch messen zu können. Der fundamentale Nachteil von diffusen Wärmewellen gegenüber propagierenden Wellen, wie sie z. B. im Ultraschall vorkommen, ist die dadurch verursachte schnelle Verschlechterung der räumlichen Auflösung mit zunehmender Defekttiefe. Diese Verschlechterung schränkt in der Regel die Anwendbarkeit der Thermografie bei der Suche nach kleinen tiefliegenden Defekten ein.
Ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der räumlichen Auflösung und damit der Erkennungsempfindlichkeit und der Rekonstruktionsqualität in der thermografischen Prüfung liegt in der speziellen Formung dieser diffusen Wärmewellenfelder mittels strukturierter Laserthermografie bzw. photothermischer Anregung. Einige Beispiele sind:
- Schmale rissartige Defekte unterhalb der Oberfläche können durch Überlagerung mehrerer interferierender Wärmewellenfelder mit hoher Empfindlichkeit detektiert werden,
- Nahe beieinander liegende Defekte können durch mehrere Messungen mit unterschiedlichen Heizstrukturen getrennt werden,
- Defekte in unterschiedlichen Tiefen können durch eine optimierte zeitliche Gestaltung der thermischen Anregungsfunktion unterschieden werden,
- Schmale Risse auf der Oberfläche können durch robotergestütztes Scannen mit fokussierten Laserspots gefunden werden,
- Defekte, die während der additiven Fertigung auftreten, können bereits im Bauraum und mit dem Fertigungslaser detektiert werden.
Wir präsentieren die neuesten Ergebnisse dieser Technologie, die mit Hochleistungslasersystemen und modernen numerischen Methoden erzielt wurden.
Thermographic non-destructive testing is based on the interaction of thermal waves with inhomogeneities. The propagation of thermal waves from the heat source to the inhomogeneity and to the detection surface according to the thermal diffusion equation leads to the fact that two closely spaced defects can be incorrectly detected as one defect in the measured thermogram. In order to break this spatial resolution limit (super resolution), the combination of spatially structured heating and numerical methods of compressed sensing can be used. The improvement of the spatial resolution for defect detection then depends in the classical sense directly on the number of measurements. Current practical implementations of this super resolution detection still suffer from long measurement times, since not only the achievable resolution depends on performing multiple measurements, but due to the use of single spot laser sources or laser arrays with low pixel count, also the scanning process itself is quite slow. With the application of most recent high-power digital micromirror device (DMD) based laser projector technology this issue can now be overcome.
Environmental pollutants like fine particulate matter can cause adverse health effects through oxidative stress and inflammation. Reactive oxygen and nitrogen species (ROS/RNS) such as peroxynitrite can chemically modify proteins, but the effects of such modifications on the immune system and human health are not well understood. In the course of inflammatory processes, the Toll-like receptor 4 (TLR4) can sense damage-associated molecular patterns (DAMPs). Here, we investigate how the TLR4 response and pro-inflammatory potential of the proteinous DAMPs α-Synuclein (α-Syn), heat shock protein 60 (HSP60), and high-mobility-group box 1 protein (HMGB1), which are relevant in neurodegenerative and cardiovascular diseases, changes upon chemical modification with peroxynitrite.
For the peroxynitrite-modified proteins, we found a strongly enhanced activation of TLR4 and the pro-inflammatory transcription factor NF-κB in stable reporter cell lines as well as increased mRNA expression and secretion of the pro-inflammatory cytokines TNF-α, IL-1β, and IL-8 in human monocytes (THP-1). This enhanced activation of innate immunity via TLR4 is mediated by covalent chemical modifications of the studied DAMPs.
Our results show that proteinous DAMPs modified by peroxynitrite more potently amplify inflammation via TLR4 activation than the native DAMPs, and provide first evidence that such modifications can directly enhance innate immune responses via a defined receptor. These findings suggest that environmental pollutants and related ROS/RNS may play a role in promoting acute and chronic inflammatory disorders by structurally modifying the body's own DAMPs. This may have important consequences for chronic neurodegenerative, cardiovascular or gastrointestinal diseases that are prevalent in modern societies, and calls for action, to improve air quality and climate in the Anthropocene.
Tri-structural Isotropic (TRISO)-coated particle is the fission energy source and the first safety barrier in high temperature gas-cooled reactors (HTGRs). The integrity of TRISO particle should be carefully tested before operation because the shape may affect the failure possibility of the particles, leading to increased risk of fission product release. Due to the large difference in density between the kernel and the coating layers in TRISO particles, traditional X-ray radiography cannot achieve a good image quality in terms of identifying coating layers reliably, while phase-contrast CThas the advantageof being sensitive to boundaries. This paperpresents a non-destructive test and evaluation (NDT&E) method to facilitate 3-dimensional (3D) measurement of a TRISO particle's structure, using a synchrotron phase-contrast CT. After reconstructed, the TRISO particle was rendered in a 3D space and the thickness and asphericity of the TRISO particle's layers were measured. It was found that the thickness of coating layers of the tested particle obeys Gaussian distribution. The deviation of thicknesses of the kernel and the other four layers is −2.42%, −16.32%, 26.51%, 0.98% and 7.49% compared with the design parameters. The deviation of asphericity of the kernel, IPyC and OPyC layers is −11.51%, −0.41% and 3.39%, respectively. The effect of the deviations on the temperature distribution and failure probability calculation of the particle will be investigated in the future.
This key comparison aims to assess the capabilities of the participants to determine the amount-of-substance fraction oxygen in nitrogen. The GAWG has classified this as a track B comparison, due to the unexpected 50 μmol/mol argon mole fraction content of the transfer standards, which effects the achievable performance of some measurement techniques such a GC-TCD. The separation of oxygen and argon is challenging, and not all systems in use are equally well designed for it. As this analytical challenge due to a substantial fraction of argon in the transfer standards became a reality, the Gas Analysis Working Group (GAWG) decided to qualify this key comparison as a regular key comparison and not as a core comparison, which may be used to support calibration and measurement capabilities (CMCs) for oxygen in nitrogen, or for oxygen in nitrogen mixtures containing argon only (see also the section on support to CMCs).
In this study, an Impulse Response Function analysis of pile response to sine-sweep excitation by a low cost, portable Shaker was used to identify defects in piles. In straightforward impact-echo methods, echoes from the pile toe and defects are visible in the time domain measurements. However, these echoes are not present in the time domain records of piles subjected to sine-sweep excitations, due to interactions between the input and output signals. For this reason, the impulse response function in the time domain has been calculated and is able to identify the echoes from pile impedance changes. The proposed methodology has been evaluated both numerically and experimentally. A one-dimensional pile-soil interaction system was developed, and a finite difference method used to calculate the pile response to sine-sweep excitation. The numerical simulations indicate that impulse response measurements with a synthesized logarithmic, sine-sweep excitation could be an effective tool for detecting defects in piles. The methodology was further tested with field trials on 6 cast in situ concrete test piles including 1 intact pile and 5 defective piles subjected to sine-sweep excitations by a shaker. In 5 of the 6 cases the echoes from the pile toe could be identified in the deconvoluted waveforms—the impulse Response functions. Damage detection is more difficult and dependent on the selection of the optimal regularization parameter. Further research and optimization of the deconvolution process is needed to evaluate the effectiveness compared to standard pile integrity testing methods.
Light-induced NO release based on exogenous NO donors has attracted substantial attention in clinical applications; the induction light source usually converts near-infrared light to blue or ultraviolet light.
However, the low efficiency of near-infrared light-assisted chemical light energy conversion remains a challenge, especially for NaYF4:Yb3+/Tm3+ photoconverting near-infrared light to ultraviolet (UV) and blue light. In this paper, a luminescence-enhanced strategy is reported by doping Ca2+ into NaYF4:Yb3+/Tm3+ and coating it with NaGdF4 through a two-step solvothermal method. Then, UCNPs modified with methyl-b-cyclodextrin (M-b-CD) are loaded on a ruthenium nitrosyl complex [(3)Ru(NO)(Cl)] as nitric oxide release-molecules (NORMs). X-ray diffraction (XRD) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) data demonstrated that Ca2+ was successfully doped into NaYF4:Yb3+/Tm3+ nanoparticles as the core, and a pure hexagonal phase, NaYF4, was obtained from the doping of Ca2+. TEM revealed that the crystallinity was significantly improved after Ca2+ doping, and the core–shell structure was successfully synthesized, with NaGdF4 directionally grown on the NaYF4:Ca/Yb/Tm core. Fluorescence tests showed that, especially in the ultraviolet and blue light excitation wavelength regions, the UC emission intensity of the Ca-doped NaYF4:Yb3+/Tm3+@NaGdF4 core–shell UCNPs increased by 302.95 times vs. NaYF4:Yb3+/Tm3+ UCNPs. Finally, the release of NO was tested by the Griess method. Under 980 nm irradiation, the cell viability distinctly decreased with increasing UCNPs@M-b-CD-NORMs concentration. This study Shows that NORM release of NO is triggered by enhanced up-converted UV and blue light, which can be used for the development of UV photo-sensitive drugs.
Role of metal cations in plasmon-catalyzed oxidation: A case study of p-aminothiophenol dimerization
(2017)
The mechanism of the plasmon-catalyzed reaction of p-aminothiophenol (PATP) to 4,4′-dimercaptoazobenzene (DMAB) on the surface of metal nanoparticles has been discussed using data from surface-enhanced Raman scattering of DMAB. Oxides and hydroxides formed in a plasmon-catalyzed process were proposed to play a central role in the reaction. Here, we report DMAB formation on gold nanoparticles occurring in the presence of the metal cations Ag+, Au3+, Pt4+, and Hg2+. The experiments were carried out under conditions where formation of gold oxide or hydroxide from the nanoparticles can be excluded and at high pH where the formation of the corresponding oxidic species from the metal ions is favored. On the basis of our results, we conclude that, under these conditions, the selective oxidation of PATP to DMAB takes place via formation of a metal oxide from the ionic species in a plasmon-catalyzed process. By evidencing the necessity of the presence of the metal cations, the reported results underpin the importance of metal oxides in the reaction.
Hot carriers (electrons and holes) generated from the decay of localized surface plasmon resonances can take a major role in catalytic reactions on metal nanoparticles. By obtaining surface enhanced Raman scattering (SERS) spectra of p-aminothiophenol as product of the reduction of p-nitrothiophenol by hot electrons, different catalytic activity is revealed here for nanoparticles of silver, gold, and copper. As a main finding, a series of different ligands, comprising halide and non-halide species, are found to enhance product formation in the reduction reaction on nanoparticles of all three metals. A comparison with the standard electrode potentials of the metals with and without the ligands and SERS data obtained at different electrode potential indicate that the higher catalytic activity can be associated with a higher Fermi level, thereby resulting in an improved efficiency of hot carrier generation. The concept of such a ligand-enhanced hot electron reduction provides a way to make light-to-chemical energy conversion more efficient due to improved electron harvesting.
Self-assembled monolayers (SAMs) on plasmonic substrates play a significant role applications of surface-enhanced Raman scattering (SERS). At the same time, localized surface plasmon resonances (LSPRs) can be employed for a broad range of plasmon-supported chemical modifications. Here, micropatterning using the derivatization of SAMs on gold nanosubstrates for rewritable SERS-based security labels or as the basis for sensing arrays functionalized with biomolecules is demonstrated using different plasmon-catalyzed reactions. The formation of 4,4′-dimercaptoazobenzene (DMAB) from p-aminothiophenol (PATP) as well as from p-nitrothiophenol (PNTP) and the reduction of PNTP to PATP are used to change the functionality of the substrate in specified positions. Employing LSPR, the reactions are started by illumination using visible laser light at a high intensity in a focal spot of a microscope objective and yield microscopic patterns of the reaction product. The obtained molecular patterns can be erased by other reactions, enabling different strategies for rewriting, encryption, or stepwise functionalization.
The spectroscopic characterization by surface-enhanced Raman scattering (SERS) has shown great potential in studies of heterogeneous catalysis. We describe a plug-in multifunctional optofluidic platform that can be tailored to serve both as a variable catalyst material and for sensitive optical characterization of the respective reactions using SERS in microfluidic systems. The platform enables the characterization of reactions under a controlled gas atmosphere and does not present with limitations due to nanoparticle adsorption or memory effects. Spectra of the gold-catalyzed reduction of p-nitrothiophenol by sodium borohydride using the plug-in probe provide evidence that the borohydride is the direct source of hydrogen on the gold surface, and that a radical anion is formed as an intermediate. The in situ monitoring of the photoinduced dimerization of p-aminothiophenol indicates that the activation of oxygen is essential for the plasmon-catalyzed oxidation on gold nanoparticles and strongly supports the central role of metal oxide species.
The pore size distribution provides a suitable description of the pore space geometry that can be used to investigate the fractal nature of the pore space or to determine a fractal dimension. Fractal dimension describes the size of geometric objects as a function of resolution. It can be integrated into models of permeability prediction. We investigated the fractal dimension of the pore volume of 11 Eocene sandstone samples from China. This study describes an approach to use spectral induced polarisation spectra to estimate the pore size distribution and to determine the fractal dimension of the pore volume. Additionally, the fractal dimension was derived from data of the capillary pressure curves from mercury intrusion and the transversal relaxation time distribution of nuclear magnetic resonance. For samples with an effective pore radius larger than 1 μm, good agreement exists between the values of fractal dimension derived from the three different methods, which implies the identification of similar pore structures. Spectral induced polarisation can be a non-invasive laboratory technique for the estimation of the pore size distribution, but the application of the methodology for field measurements remains a challenging problem considering the limited frequency range.
Bei der Trocknung von Gesteinen vermindert sich der Anteil des Wasservolumens im Porenraum, der als Sättigung bezeichnet wird. Mit abnehmender Sättigung sinkt die elektrische Leitfähigkeit des Gesteins. Die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Sättigung wird durch ein Potenzgesetz entsprechend der 2. Archie-Gleichung beschrieben: log(#CHR:sigma_LOWER#)=n log(S<sub>w</sub>), wobei n der Sättigungsexponent ist. Bei der Trocknung von Gesteinen muss beachtet werden, dass die Wasserleitfähigkeit mit abnehmender Sättigung zunimmt, da die Konzentration der im Wasser gelösten Salze ansteigt. Das hat zur Folge, dass die bei Trocknungsexperimenten bestimmten Sättigungsexponenten deutlich kleiner sind als bei Verdrängungsexperimenten (z.B. Wasser durch Öl) mit gleichbleibender Wasserleitfähigkeit. Bei der Spektral(en) Induzierten Polarisation wird die komplexe elektrische Leitfähigkeit des Gesteins als Funktion der Frequenz betrachtet. Für den Real- und Imaginärteil der elektrischen Leitfähigkeit werden unterschiedliche Sättigungsexponenten bestimmt.
Wir haben an zwei Sandsteinproben (Langenauer und Gravenhorster Sandstein) und einem Baumberger Kalksandstein Trocknungsexperimente durchgeführt. Die Sättigung wurde schrittweise von 100 % bis auf 10 % reduziert. In jeder Sättigungsstufe wurden an den Proben die Spektren der komplexen elektrischen Leitfähigkeit aufgezeichnet. Unsere Experimente zeigen, dass die Sättigungsexponenten für den Imaginärteil der komplexen elektrischen Leitfähigkeit mit 1,23 bis 1,59 deutlich größer sind als die des Realteils mit Werten zwischen 0,41 und 0,90. Dieser Unterschied resultiert aus der Tatsache, dass der Imaginärteil der Leitfähigkeit weniger stark mit zunehmender Wasserleitfähigkeit ansteigt als der Realteil. Für den Realteil der elektrischen Leitfähigkeit wird nach der 1. Archie-Gleichung ein linearer Zusammenhang zwischen Wasserleitfähigkeit und Gesteinsleitfähigkeit erwartet. Der Anstieg des Imaginärteils mit der Wasserleitfähigkeit kann mit einem Potenzgesetz mit einem Exponenten zwischen 0.1 und 0.62 beschrieben werden. Unsere Experimente zeigen, dass der Imaginärteil der elektrischen Leitfähigkeit wesentlich deutlicher auf die Austrocknung von Gesteinen reagiert und damit ein wirksamer Indikator zur Überwachung von Sättigungsänderungen sein kann.
We investigate the pore space of rock samples with respect to different petrophysical parameters using various methods, which provide data upon pore size distributions, including micro computed tomography (μ-CT), mercury intrusion porosimetry (MIP), nuclear magnetic resonance (NMR), and spectral induced polarization (SIP). The resulting cumulative distributions of pore volume as a function of pore size are compared. Considering that the methods differ with regard to their limits of resolution, a multiple length scale characterization of the pore space geometry is proposed, that is based on a combination of the results from all of these methods. The findings of this approach are compared and discussed by using Bentheimer sandstone. Additionally, we compare the potential of SIP to provide a pore size distribution with other commonly used methods (MIP, NMR). The limits of resolution of SIP depend on the usable frequency range (between 0.002 and 100 Hz). The methods with similar resolution show a similar behavior of the cumulative pore volume distribution in the overlapping pore size range. The methods μ-CT and NMR provide the pore body size while MIP and SIP characterize the pore throat size. Using this difference, the average pore body to throat ratio is determined to be about three for the Bentheimer sandstone.
Our study shows that a good agreement between the pore radii distributions can only be achieved if the curves are adjusted considering the resolution and pore volume in the relevant range of pore radii. The MIP curve with the widest range in resolution should be used as reference
In der Vergangenheit wurde immer wieder diskutiert, ob die Porenhalsverteilung poröser silikatischer Medien maßgeblich die Relaxationszeit in Messergebnissen der Spektralen Induzierten Polarisation (SIP) bestimmt und dementsprechend auch neuere Ansätze, Porenweitenverteilungen aus diesen Daten abzuleiten, zuverlässig sein können. Systematische Studien an Gesteinen mit sehr unterschiedlichen Porenverteilungen zeigten, dass in Materialien mit engen Porenhälsen (z.B. < 5 μm) vor allem oder zusätzlich zum vermuteten Porenhalspeak niederfrequente Relaxationen zu beobachten sind, deren Ursache noch unklar ist.
Unter Einbeziehung der Methoden Röntgen-Computertomografie (μ-CT), Quecksilberporosimetrie (MIP), Stickstoffabsortion, Nukleare Magnetische Resonanz, SIP und Auflichtmikroskopie untersuchen wir den Porenraum hinsichtlich der Parameter Porosität, Permeabilität und innere Oberfläche und bestimmen die geometrischen Eigenschaften wie Porenweitenverteilungen oder fraktale Dimension durch verschiedene Algorithmen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich die Methoden hinsichtlich der Grenzen ihres Auflösungsvermögens unterscheiden. Mit einer Zusammenführung der Ergebnisse aller Methoden kann eine mehrere Längenskalen überdeckende Charakterisierung der Porenraumgeometrie erfolgen.
Die Anwendung und Auswertung der verschiedenen Methoden werden am Beispiel von Baumberger Kalksandstein und Bentheimer Sandstein verglichen und diskutiert.
We investigate the pore space of rock samples with respect to different petrophysical parameters using various methods, which provide data on pore size distributions, including micro computed tomography (µ-CT), mercury Intrusion porosimetry (MIP), nuclear magnetic resonance (NMR), and spectral-induced polarization (SIP). The resulting cumulative distributions of pore volume as a function of pore size are compared. Considering that the methods differ with
regard to their limits of resolution, a multiple-length-scale characterization of the pore space is proposed, that is based on a combination of the results from all of these methods.
The approach is demonstrated using samples of Bentheimer and Röttbacher sandstone. Additionally, we compare the potential of SIP to provide a pore size distribution with other commonly used methods (MIP, NMR). The limits of Resolution of SIP depend on the usable frequency range (between 0.002 and 100 Hz). The methods with similar Resolution show a similar behavior of the cumulative pore volume distribution in the verlapping pore size range. We assume that µ-CT and NMR provide the pore body size while MIP and SIP characterize the pore throat size. Our study Shows that a good agreement between the pore radius distributions can only be achieved if the curves are adjusted considering the resolution and pore volume in the relevant range of pore radii. The MIP curve with the widest range in Resolution should be used as reference.
The discussion of the surface-enhanced Raman scattering (SERS) spectra of p-aminothiophenol (PATP) and of ist photocatalytic reaction product 4,4′-dimercaptoazobenzene (DMAB) is important for understanding plasmon-supported spectroscopy and catalysis. Here, SERS spectra indicate that DMAB forms also in a nonphotocatalytic reaction on silver nanoparticles. Spectra measured at low pH, in the presence of the acids HCl, H2SO4, HNO3, and H3PO4, show that DMAB is reduced to PATP when both protons and chloride ions are present. Moreover, the successful reduction of DMAB in the presence of other, halide and nonhalide, ligands suggests a central role of these species in the reduction. As discussed, the ligands increase the efficiency of hot-electron harvesting. The pH-associated reversibility of the SERS spectrum of PATP is established as an Observation of the DMAB dimer at high pH and of PATP as a product of its hot-electron reduction at low pH, in the presence of the appropriate ligand.