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Experimental Thermal Fluid Dynamics
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Ultraschnelle Elektronenstrahl-Röntgencomputertomographie (ROFEX)

Die am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf entwickelte ultraschnelle Elektronenstrahl-Röntgencomputertomographie (ROssendorf Fast Electron beam X-ray tomography) ist ein leistungsfähiges Bildgebungsverfahren für die nichtinvasive Untersuchung von dynamischen Prozessen. Mit bis zu 8.000 Schnittbildern pro Sekunde und einer räumlichen Auflösung von ca. 1 mm können hochtransiente Phänomene sichtbar gemacht und detailliert erforscht werden. Speziell für die Analyse von Mehrphasenströmungen in ausgedehnten Teststrecken konzipiert, konnten bisher zahlreiche Forschungsprojekte auf diesem Gebiet von der ROFEX-Technologie profitieren. Darüber hinaus ist sie für diverse weitere Anwendungsfälle, wie beispielsweise die schnelle zerstörungsfreie Prüfung, einsetzbar.



Funktionsprinzip

Für eine computertomographische Aufnahme müssen Durchstrahlungsprojektionen aus unterschiedlichen Winkeln aufgenommen werden. Dies wird bei der ultraschnellen Röntgentomographie nicht wie in der klassischen Computertomographie durch die mechanische Drehung von Objekt oder Quelle-Detektor-Verbund erreicht. Stattdessen wird ein Elektronenstrahl auf ein teilkreisförmiges Wolframtarget fokussiert und gleichzeitig mit hoher Frequenz periodisch abgelenkt. Auf diese Weise wird ein auf dem Target wandernder Brennfleck, d.h. eine um das Objekt rotierende Röntgenquelle, erzeugt. Synchron zur Strahlablenkung misst ein das Objekt umgebender statischer Röntgendetektorring die durch das Objekt geschwächte Röntgenstrahlung mit einem Vielfachen der Ablenkfrequenz. Aus dem Datensatz von Projektionen einer Umdrehung des Elektronenstrahls kann ein überlagerungsfreies Schnittbild der Schwächungsverteilung im Objekt rekonstruiert werden. Für die Bestimmung axialer Geschwindigkeiten von Strukturen im Untersuchungsobjekt verfügen die ROFEX-Tomographiesysteme über eine zweite Tomographieebene, die bei Bedarf intermittierend zur ersten angesteuert wird. Über den zeitlichen Versatz zwischen beiden Schnittbildsequenzen kann auf die axiale Geschwindigkeit von Strukturen geschlossen werden. Aus den gewonnenen Daten aus beiden Tomographieebenen lassen sich diverse Parameter extrahieren, die den untersuchten Prozess charakterisieren, wie z.B. die Phasengrenzfläche in einer turbulenten Gas-Flüssigkeits-Strömung.

Anwendungsbeispiele

Flüssigkeits-Gas-Strömungen in vertikalen Rohren

Die ultraschnelle Röntgentomographie wurde primär für die berührungslose Messung der Phasenverteilung innerhalb von Zweiphasenströmungen in vertikalen Rohren entwickelt. Dafür ist ein ROFEX-Scanner an der vertikalen Teststrecke der Versuchsanlage TOPFLOW installiert, wo unter Hochdruck-/Hochtemperaturbedingungen gemessen werden kann. Zudem wurde eine Traversiereinheit errichtet, die es erlaubt den Scanner vertikal auf einer Länge von bis zu vier Metern zu verfahren. Durch das Anfahren verschiedener Höhen kann somit die gesamte Entwicklung der Strömung im Inneren der Teststrecke sowohl für aufwärts als auch abwärts gerichtete Strömungen messtechnisch erfasst werden.



Gas-Feststoff-Wirbelschicht

In Kooperation mit der TU Eindhoven wurden Untersuchungen an Gas-Feststoff-Wirbelschichten mit unterschiedlichen Feststoffpartikeln durchgeführt. Dabei konnten durch ROFEX-Messungen einerseits allgemeine Parameter wie Blasenform, -größe und -geschwindigkeit für die Validierung von Simulationen auf Basis des Zwei-Fluid-Modells bestimmt werden. Andererseits konnte die Ausprägung vielfältiger filigraner dynamischer Strukturen detailliert sichtbar gemacht und studiert werden.

Zweiphasenströmungen in strukturierten Packungen

Strukturierte Einbauten in industriellen Apparaten stellen in der Regel erhöhte Anforderungen an eine bildgebende Messtechnik. Dieses Beispiel der Untersuchung der Hydrodynamik innerhalb einer metallischen strukturierten Packung zeigt deutlich, dass die ROFEX-Technologie an dieser Stelle dennoch detaillierte Einblicke in komplizierte Strukturen liefern und damit einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Strömungsprozesse in strukturierten Packungen und ähnlichen Komponenten leisten kann.



Dynamische Qualitätskontrolle von landwirtschaftlichen Produkten

Für eine schnelle Online-Qualitätskontrolle für landwirtschaftliche Produkte wurden diverse Studien durchgeführt, welche die Eignung der ROFEX-Technologie für die Erkennung von verschiedenen Qualitätsmängeln untersuchen sollten. Insbesondere bei Walnüssen, Esskastanien und Peperoni wurde ein hohes Erfolgspotential identifiziert. An der für die praktische Umsetzung nötigen Online-Datenauswertung wird derzeit intensiv gearbeitet.



Technische Weiterentwicklungen

Aktuelle und geplante ROFEX-Systeme

Die ROFEX-Technologie wird praktisch in Form verschiedener Scanner umgesetzt. ROFEX I ist an der Versuchsanlage TOPFLOW installiert und speziell für Hochdruck/Hochtemperatur-Experimente vorgesehen. Er kann für Untersuchungsobjekte mit maximalem Durchmesser von 120 mm in einem vertikalen Aufnahmebereich von ca. 3,5 m eingesetzt werden. ROFEX II zielt auf eine höhere örtliche Auflösung bei geringerem Objektdurchmesser (50 mm).  ROFEX III ist als Bestandteil des Röntgentomographielabors universeller einsetzbar und eignet sich für Objekte bis 195 mm Durchmesser. Derzeit sind die beiden ROFEX-Scanner I und III in Betrieb und ROFEX II befindet sich im Aufbau. Darüber hinaus befindet sich ein System für 3D-Aufnahmen in der Konzeptionierung. All diese Systeme werden bis 150 kV Beschleunigungsspannung und 10 kW betrieben.

Bildrekonstruktion auf GPUs und Echtzeitfähigkeit

Die rechenaufwändige Bildrekonstruktion wird seit kurzem parallelisiert auf GPUs ausgeführt, wodurch dieser Arbeitsschritt erheblich beschleunigt werden konnte. Eine schnelle Datenübertragung vom Strahlungsdetektor zum Rekonstruktions-Rechner bzw. Rechencluster sowie die Implementierung der Datenverarbeitung als kontinuierlich arbeitende Datenpipeline (https://github.com/HZDR-FWDF/RISA) sind weitere wichtige Meilensteine auf dem Weg zur Echtzeitfähigkeit der ROFEX-Systeme. Diese wird es in naher Zukunft ermöglichen, Prozesse online zu überwachen und diese bzw. zugehörige Systemkomponenten in Echtzeit zu steuern.

Ein Szenario, das von der Echtzeitfähigkeit profitiert, ist die Verfolgung von Strukturen im Untersuchungsobjekt durch Nachführen des ROFEX-Systems. Am Beispiel des Verhaltens einzelner Partikel innerhalb eines Schwarms wird diese Problemstellung aktuell im Rahmen eines DFG-Projektes bearbeitet.

Hochleistungs-Röntgencomputertomographie (HECToR)

Die Durchdringungsfähigkeit von Röntgenstrahlung und damit ihre Eignung für Bildgebungsverfahren wird einerseits von der Energie der eingesetzten Röntgenphotonen und andererseits von Größe und Material des untersuchten Objektes bestimmt. Um Strömungen in großen und druckfesten Strömungskanälen untersuchen zu können, wurde das Hochleistungs-CT-System „HECToR“ (High Energy Computed Tomography Scanner Rossendorf) entwickelt. Das Funktionsprinzip von HECToR ist zu dem der ROFEX-Systeme identisch, allerdings kommt hier ein Elektronenstrahl mit einer elektrostatischen Beschleunigung von 1 MV und einer Strahlleistung von bis zu 100 kW zur Anwendung. Das HECToR-System ermöglicht damit die Untersuchung von Objekten bis zu einem Durchmesser von 400 mm. Aktuell befindet sich der Scanner in seiner finalen Erprobungsphase.



Ultraschnelle 3D-CT

Ein erstes ultraschnelles 3D-CT-System wurde im Rahmen eines DFG-Projektes in Zusammenarbeit mit der Universität Stuttgart entwickelt, aufgebaut und charakterisiert. Dabei ist es gelungen, mehrere kreisförmige Röntgenquellbahnen auf einem röntgentransparenten Target derart zu erzeugen, dass in Verbindung mit einem einzelnen Detektorring eine der Kegelstrahl-Computertomographie ähnliche geometrische Anordnung entsteht. Auf diese Weise konnten in einem räumlich begrenzten Experimentalbereich dreidimensionale tomographische Aufnahmen mit einer zeitlichen Auflösung von 250 Bildern pro Sekunde generiert werden. Um dieses Prinzip auch für vertikal ausgedehnte Untersuchungsobjekte nutzbar zu machen, sind weitere technische Entwicklungen nötig, an denen aktuell gearbeitet wird.



Kooperationen  

  • Universität Stuttgart
  • Karlsruher Institut für Technologie

Publikationen

  • T. Frust, M. Wagner, J. Stephan, G. Juckeland, A. Bieberle
    Rapid Data Processing for Ultrafast X-Ray Computed Tomography Using Scalable and Modular CUDA based Pipelines
    Computer Physics Communications, akzeptiert 2017
  • M. Bieberle, U. Hampel
    Level-set reconstruction algorithm for ultrafast limited angle X-ray computed tomography of two-phase flows
    Philosophical Transactions of the Royal Society A 373, 20140395, 2015
  • F. Barthel, M. Bieberle, D. Hoppe, M. Banowski, U. Hampel
    Velocity Measurement For Two-Phase Flows Based On Ultrafast X-ray Tomography
    Flow Measurement and Instrumentation 46, pp. 196-203, 2015
  • M. Wagner, F. Barthel, J. Zalucky, M. Bieberle, U. Hampel
    Scatter analysis and correction for ultrafast X-ray tomography
    Philosophical Transactions of the Royal Society A 373, 20140396, 2015
  • T. Stürzel, M. Bieberle, E. Laurien, U. Hampel, F. Barthel, H.-J. Menz, H.-G. Mayer
    Experimental facility for two- and three-dimensional ultrafast electron beam X-ray computed tomography
    Review of Scientific Instruments 82, 023702, 2011
  • F. Fischer, U. Hampel
    Ultra fast electron beam X-ray computed tomography for two-phase flow measurement
    Nuclear Engineering and Design 240(9), 2254-59, 2010.
  • U. Hampel, M. Speck, D. Koch, H.-J. Menz, H.-G. Mayer, J. Fietz, D. Hoppe, E. Schleicher, C. Zippe, H.-M. Prasser
    Ultrafast X-ray Computed Tomography with a Linearly Scanned Electron Beam Source
    Flow Measurement and Instrumentation 16, pp. 65-72, 2005.
  • Patent WO 2008/101470 "X-ray computed tomography arrangement", 28.08.2008
  • Patent DE102007008349 "Anordnung zur Röntgentomographie", 15.10.2009

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