Phasenkontrast- und Dunkelfeld-Computertomographie

Vergleichsbilder (v. li. n. re.): Absorptionskontrast, differentieller Phasenkontrast, Darkfield-Streukontrast

Phasenkontrast- und Dunkelfeld-Computertomographie

Vergleich von Darkfield-Kontrasten
© Faserinstitut FIBRE e.V./Robert Gaizsch

Darkfield-Kontrast im Vergleich: Links normiert geteilt auf den Absorptionskontrast und rechts mit der Probe um 90° gekippt. Die deutlichen Helligkeitsunterschiede zeigen die Empfindlichkeit des Darkfield auf die lokale Orientierung der Kohlefasern.

Gitterbasierter Phasenkontrast, und insbesondere die darin enthaltene Bildgebung mit Dunkelfeld-Kontrast bieten die einmalige Möglichkeit, mikroskopische Strukturinformation (0.5µm-50µm) in großen Objekten (bis 15cm) zwei- und dreidimensional abzubilden. Anwendungsschwerpunkt ist die Struktur-/ Schadensanalyse an Faserverstärkten Kunststoffen sowie die Prüfung von mikroporösen Bioimplantaten.

Basierend auf dem 2002 erstmals vorgestellten Röntgen Talbot-Interferometer, kann etablierte Technik der Mikro-CT zur Phasenkontrastbildgebung aufgebaut werden. Hierbei kommen mikroskopische Strichgitter zum Einsatz, deren Selbstabbildung durch den Talbot-Effekt beschrieben wird, und die im Interferometer zum Phase-Stepping genutzt werden. Dabei entstehen statt des üblichen Röntgen-Schwächungbilds drei Bilder: 1. das Absorptionsbild, 2. das differentielle Phasenkontrastbild, und 3. das Dunkelfeld-Bild. In Letzterem ist der Visibilitätsverlust, welcher durch Streuung an mikroskopischen Grenzflächen und Teilchen verursacht wird, kodiert. Alle drei Bildkontraste lassen sich sowohl für die 2D Bauteilprüfung als auch für die 3D Mikro-CT nutzen.
 

Systemlösung Darkfield-Imaging

Gemeinsam mit der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg entwickelt das Fraunhofer EZRT die Phasenkontrast- und Dunkelfeld-Bildgebung für Anwendungen in der Materialforschung-/ Werkstoffprüfung weiter. Hierbei wird der übliche Mikro-CT Aufbau um die o.g. Methode erweitert, mit dem Ziel, ein kompaktes System zu realisieren, mit dem sowohl Mikro-CT als auch Phasenkontrast-Bildgebung möglich ist. Seitens der Software werden Methoden entwickelt, wie der Orientierungsabhängige Dunkelfeld-Kontrast, bei der Bildgebung an Faserverbund-Werkstoffen (CFK) genutzt werden kann, um Orientierung und Dichte der Fasern vektoriell im Volumen zu rekonstruieren.

  • Schadens- und Orientierungsanalyse an CFK-Bauteilen und anderen faserverstärkten Kunststoffen
  • 2D- und 3D-Prüfung an mikroporösen Biomaterialien (TCP, HAp, Al2O3, ZrO2, Ti- und Mg-Basis)
  • Prüfung von Lebensmitteln (Food Control)
  • Sicherheitstechnik (Security)
  • Mammografie (Medizin)

  • Bauteilgröße bis 15 cm (mit Stitching)
  • Phasenkontrast Setups sowohl mit Drehanode als auch mit Mikro-Fokus Röntgenquelle (auch Liquid Metal Jet)
  • Wahlweise Flatpanel (127 µm) oder Photonenzählender Detektor (55 µm)
  • 25 kV Designenergie (U_max typ. 60-80 kV)
  • Visibilität über 20%

Vorteile und Nutzen

Gegenüber der bestehenden Schadenanalytik bei CFK Bauteilen - Ultraschall und Thermographie - ist die Dunkelfeldbildgebung deutlich leichter in der Handhabung und liefert eine um Größenordnungen höhere Ortsauflösung bei ähnlicher Defekterkennbarkeit. Im Bereich Security können sowohl differenzieller Phasenkontrast als auch Dunkelfeld-Kontrast Strukturen und Eigenschaften von Materialien erkennen, die im normalen Durchstrahlungsbild harmlos bzw. gar nicht erscheinen. Gleiches gilt für den Bereich Food-Control. Die Technik ist dabei gegenüber der State-of-the-Art Durchstrahlungsprüfung oder Mikro-CT nicht merklich komplizierter oder teurer.