Hochauflösende Röntgentomographie (µCT)

Hochauflösende Röntgentomographie (µCT) hat sich zur wichtigsten Methode für die Charakterisierung poröser Medien entwickelt. Röntgentomographie liefert die dreidimensionale Verteilung der Masseschwächungskoeffizienten des Materials, welche direkt mit der Elektronendichte und somit mit der Bulkdichte, verknüpft sind. Diese Dichteinformation kann aufgegliedert (segmentiert) werden in Porenraum und Matrixbestandteile unterschiedlicher Dichte. Mittels statistischer 3D-Bildverarbeitungsalgorithmen kann dann das Material umfassend strukturell charakterisiert werden (z.B. Poren- und Korngrößenanalyse, Formanalyse, Rissweitenverteilung, Tortuosität, Richtungsverteilung). Außerdem kann die räumliche Verteilung der Komponenten direkt als Grundlage für geochemische Transportsimulationen auf der Porenskala genutzt werden. Bildkontrast und räumliche Auflösung wirken sich begrenzend auf die Segmentierbarkeit aus, deshalb werden µCT-Scanner in Hinblick auf eine möglichst hohe Auflösung im Bereich weniger Mikrometer bis in den sub-µm-Bereich und auf hohen Kontrast optimiert.

In der Abteilung Reaktiver Transport des HZDR wird µCT in Verbindung mit Positronen-Emissions-Tomographie als GeoPET/µCT genutzt, analog zur nuklearmedizinischen Anwendung von PET/CT. Bei dieser Kombination hat die räumliche Auflösung einen geringeren Stellenwert, da für Korrekturzwecke der GeoPET-Messungen und für die Überlagerung (Koregistrierung) mit dem Dichte- bzw. Porositätsbild nur die geringere PET-Auflösung im Bereich von 1 mm erforderlich ist.

Für die µCT wird eine Röntgenquelle mit möglichst kleinem Brennfleck (Mikrofokus- oder Nanofokusröhre) genutzt. Mit einem Detektorschirm wird eine große Zahl von Schwächungsbildern (Projektionen) der rotierenden Probe in Abhängigkeit vom Drehwinkel erfasst. Aus den Fächerstrahl-Projektionen wird anschließend ein dreidimensionales Tomogramm berechnet, dessen Werte als Dichtewerte skaliert werden können.

Die Abteilung Reaktiver Transport nutzt einen Nikon XTH 225–Scanner, der für die Untersuchung typischer GeoPET-Proben mit einem Durchmesser bis zu 100 mm geeignet ist.

Quelle

• Offene Mikrofokusröhre, Leistung 225 kV bei max. 1 mA dauerhaft, minimale Brennfleckgröße 3 µm bei 80 kV, 3 W

Detektor

• Varian 4030, Größe 400×300 mm, 2000×1500 Pixel, effektiv 14 Bit

Geometrie

• max. Bildfeld: D=285 mm, H=225 mm
• max. Auflösung bei 100 mm Probendurchmesser ca. 30 µm
• max. Auflösung bei 20 mm Probendurchmesser ca. 6,5 µm
• Innenraumvolumen: L×B×H=990×500×890

Software

• Rekonstruktion Nikon Metrology CT Pro 3D
• Darstellung, Segmentierung, Registrierung und 3D-Bildverarbeitung: FEI Avizo for Materials Science
• Segmentierung und FEM-Meshing: Simpleware ScanIP

Beispiel

GeoPET-Prozesstomographie während eines konservativen Durchflussexperiments mit [¹⁸F]KF-Lösung durch eine Kiespackung, überlagert mit dem µCT-Bild (Säulenlänge 100 mm, Durchmesser 50 mm, Standbild nach vollständiger Injektion des Tracerpulses von 5 mL nach 1 h).

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