Contact

Dr. Martina Bieberle
Experimental Thermal Fluid Dynamics
m.bieberleAthzdr.de
Phone: +49 351 260 - 3283
Fax: 13283, 2383

Prof. Dr. Uwe Hampel
Head Experimental Thermal Fluid Dynamics
u.hampel@hzdr.de
Phone: +49 351 260 - 2772
Fax: 12772, 2383

Ultraschnelle Limited-Angle Röntgen-Computertomographie

Die ultraschnelle Limited-Angle Röntgen-Computertomographie ist ein tomographisches Messverfahren, bei dem die Datenaufnahme mit einer Bildrate von bis zu 10.000 s-1 und einer räumlichen Auflösung von ca. 1 mm möglich ist. Auf diese Weise können transiente Vorgänge wie Mehrphasenströmungen, mechanische Schaltvorgänge oder chemische Prozesse untersucht werden. Die für die Rekonstruktion von überlagerungsfreien Schnittbildern benötigte Aufnahme von Durchstrahlungsprojektionen aus unterschiedlichen Richtungen wird dabei nicht durch die Drehung von Objekt oder Messsystem erreicht. Stattdessen wird der Elektronenstrahl, der den Röntgenstrahlung emittierenden Brennfleck auf einem Target erzeugt, elektronisch abgelenkt.


Messprinzip

Es wird eine schnell bewegliche Röntgenquelle erzeugt, indem ein Elektronenstrahl elektronisch entlang einer linearen Bahn auf einem Target abgelenkt wird. Auf diese Weise können Röntgendurchstrahlungsprojektionen von einem Untersuchungsobjekt aus unterschiedlichen Richtungen aufgenommen werden. Der im Vakuum erzeugte Elektronenstrahl kann dabei so stark fokussiert werden, dass beim Auftreffen auf ein Wolframtarget ein ca. 0,3 mm großer Brennfleck entsteht, aus dem Röntgenstrahlung emittiert wird. Die am Detektor auftreffende Strahlungsintensität wird in eine Spannung gewandelt und für alle Detektorelemente parallel mit 1 MHz abgetastet. Das digitale Spannungssignal wird anschließend zur weiteren Verarbeitung an einen Messrechner geleitet.

Aufbau schnelle Röntgen-CT

Bildrekonstruktion

Aus den gemessenen Röntgenprojektionsdaten können mithilfe von Bildrekonstruktionsalgorithmen überlagerungsfreie Schnittbilder des Untersuchungsobjektes errechnet werden. In dieser speziellen Anordnung liegen Brennfleckbahn und Detektorbogen innerhalb einer Ebene, wodurch eine maximale axiale Auflösung erreicht wird. Der effektive Aufnahmewinkelbereich ist dadurch jedoch eingeschränkt (Limited-Angle-Tomographie). Um dennoch Schnittbilder aus den Projektionsdaten rekonstruieren zu können, wurden spezielle iterative Bildrekonstruktionsalgorithmen auf Basis der Level-Set-Methode entwickelt, die direkt Phasen- bzw. Materialgrenzen anstelle von Dichteverteilungen rekonstruieren.

MN

Level-Set-Rekonstruktion

Rekonstruktion ohne störende
Limited-Angle-Artefakte mit dem
Level-Set-Rekonstruktionsalgorithmus


Zweiebenentomographie

Volumentomographie

Um neben der Phasenverteilung innerhalb einer Schnittebene auch Phasengeschwindigkeiten zu bestimmen, wurde eine Zweiebenentomographie realisiert, bei der abwechselnd zwei vertikal versetzte Brennfleckbahnen generiert werden. Aus den beiden so erzeugten Tomographieebenen können anschließend mit Hilfe von Kreuzkorrelationstechniken Geschwindigkeitsinformationen abgeleitet werden.

Die Erweiterung der Messanordnung für eine ultraschnelle Volumentomographie wird durch die Ausnutzung eines Stufentargets erreicht. Ähnlich der Zweiebenentomographie werden so mehrere Brennfleckbahnen und damit Tomographieebenen in verschiedenen Höhen erzeugt. Aus den entsprechenden Projektionsdaten kann ein dreidimensionales Abbild des Untersuchungsobjektes mit einer Bildrate von 500 s-1 rekonstruiert werden.

Zweiebenentomographie

Volumentomographie deutsch

FlyingBalls


Weitere Arbeiten

Aktuelle Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit der Weiterentwicklung der Volumentomographie zu einer Vollwinkel-Tomographie unter Ausnutzung eines durchstrahlbaren Targets.


Publikationen


Kooperationspartner

Universität Stuttgart, Institut für Kernenergetik und Energiesysteme


Danksagung

Diese Arbeit wurde gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG)
(Förderkennzeichen: HA 3088/3-1 und KO 2942/3-1).


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