Quality Engineering 05.2023

Bild: Synchrotron Soleil

Bild: Synchrotron Soleil Der schematischer Aufbau eines Synchrotrons: Es besteht aus mehreren Ablenkmagneten und dazwischen angeordneten gerad linigen Beschleunigungsstrecken, kombiniert damit also die Prinzipien des Ring- und des Linearbeschleunigers. Anders als beim Zyklotron oder Betatron jedoch, bei denen die Teilchenbahnen spiralförmig sind, verlaufen sie beim Synchrotron vom Anfang bis zum Ende des Beschleunigungs vorgangs als in sich geschlossener Ring. Synchrotron-CT für industrielle Anwendungen 3D-Bildgebung fast artefaktfrei und hochauflösend Synchrotron-Strahleinrichtungen bieten eine hochauflösende und nahezu artefaktfreie Methode der Bildgebung. Doch haben meist nur akademische Anwender Zugang dazu. Das Fraunhofer EZRT will die Technologie und die damit verbundenen Datenanalysemöglichkeiten der Industrie zugänglich machen. Bild: Fraunhofer EZRT Dr. Thomas Lang Post-Doc Wissensbasierte Bildverarbeitung Fraunhofer EZRT www.iis.fraunhofer.de Ein Synchrotron ist eine spezielle Forschungsinfrastruktur, die typischerweise aus drei Teilchenbeschleunigern besteht, deren Beschleunigungsspannung die Energie und die Intensität der Röntgenstrahlen vorgibt. Im Gegensatz zu konventionellen Röntgenquellen erreichen die Elektronen bei der Synchrotron-CT (SCT) nahezu Lichtgeschwindigkeit: Zunächst werden sie durch einen Linear - beschleuniger auf knapp 99 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Diese subatomaren Partikel werden dann in ein Booster-Synchrotron (kleiner Ring) eingeschossen, in dem die Energie weiter auf die Zielenergie angehoben wird. Anschließend werden in einem definierten Zeitintervall Pakete dieser beschleunigten Elektronen in den unter einem Ultra-Hochvakuum gehaltenen großen Speicherring eingeschossen und auf Geschwindigkeit gehalten. Innerhalb des großen Speicherrings ist eine Vielzahl von dauermagnetischen Systemen – genannt Insertion Devices (Wiggler, Undulatoren) und Ablenkmagneten – installiert, die den beschleunigten Elektronenstrahl so kohärent und fokussiert wie möglich halten, und somit die Brillanz des Strahls erhöhen. Die Brillanz 38 Quality Engineering » 05 | 2023

Bildverarbeitung « SPECIAL Bild: Fraunhofer EZRT Dies ist ein Multi - resolution-Phasen - kontrast-CT einer Lithium-Ionen- Batterie-Pouchzelle. misst die Anzahl der Photonen pro Zeiteinheit relativ zur Fläche des Strahlprofils und beeinflusst maßgeblich die erreichbare Auflösung, Schärfe und Kontrast der Bildgebung. Synchrotrons liefern durch ihre spezielle Architektur dabei eine extrem hohe Brillanz, die etwa 12 Größenordnungen über klassischen Röntgenquellen liegt. Ferner besteht die Aufgabe der installierten Magnete nicht nur in der Führung des Partikelstrahls, sondern auch der Emission von elektromagnetischer Strahlung durch Ablenkung dieses Strahls: Je nach Bauweise werden die Elektronen oszillierend angeregt (Wiggler, Undulatoren) oder deren Bahn gekrümmt (Ablenkmagneten), wobei entsprechend des Bremsstrahlungseffekts elektromagnetische Strahlung abgegeben wird. Diese liegt auf Grund der Energie der Elektronen zumeist im Röntgenstrahlungsbereich und wird tangential aus dem Speicherring heraus in eine Strahllinie (englisch beamline) geführt. Der dort ankommende Röntgenstrahl besitzt die Eigenschaften der extrem hohen Brillanz und der hohen zeitlichen und räumlichen Kohärenz. Zusätzlich erlaubt die Frequenz, mit der Röntgenstrahlung aus dem Speicherring extrahiert werden kann, eine In-situ-/Inoperando-Betrachtung des Objekts. Auf Basis des Partikelstrahls – in bildgebenden Synchrotrons zumeist aus Elektronen bestehend – kann in den Strahllinien eine Vielzahl von unterschiedlichen Methoden für Experimente und Applikationen angewendet werden. So werden Synchrotrons häufig zur Analyse von dynamischen Prozessen eingesetzt. Dazu gehören beispielsweise der Zerfall von Strukturen oder die strukturelle Veränderung von Materialien unter Last. Eine weitere bedeutende Anwendung ist die CT-Bildgebung mittels Röntgenabsorption oder mittels Phasenkontrast. Daneben finden sich Techniken der Diffraktion, bei der die innere Struktur und Quality PLANNING CONCEPT DESIGN & PROCESS TEST PRODUCTION SUPPORT Perfekte Kombination von CAQ & FMEA Quality Engineering » 05 | 2023 39