La maggior parte delle persone ha familiarità con la tomografia computerizzata della medicina:una parte del corpo viene sottoposta a raggi X da tutti i lati e viene quindi calcolata un'immagine tridimensionale, da cui è possibile creare immagini in sezione per la diagnosi.

Questo metodo è molto utile anche per l'analisi dei materiali, controlli di qualità non distruttivi o nello sviluppo di nuovi materiali funzionali. Però, esaminare tali materiali con elevata risoluzione spaziale e nel minor tempo possibile, è richiesta la luce a raggi X particolarmente intensa di una sorgente di radiazione di sincrotrone. Nel raggio di sincrotrone, anche cambiamenti e processi rapidi nei campioni di materiale possono essere ripresi se è possibile acquisire immagini tridimensionali in una sequenza temporale molto breve.

Da 200 a 1000 tomogrammi al secondo

Un team HZB guidato dal Dr. Francisco Garcia Moreno sta lavorando su questo insieme ai colleghi della Swiss Light Source SLS presso il Paul Scherrer Institute (PSI), Svizzera. Due anni fa, hanno gestito un record di 200 tomogrammi al secondo, chiamando il metodo della tomoscopia a immagini rapide. Ora il team ha raggiunto un nuovo record mondiale:con una velocità di 1000 tomogrammi al secondo, ora possono registrare processi ancora più veloci nei materiali o durante il processo di produzione. Ciò si ottiene senza grandi compromessi negli altri parametri:la risoluzione spaziale è ancora molto buona a diversi micrometri, il campo visivo è di diversi millimetri quadrati e sono possibili periodi di registrazione continua fino a diversi minuti.

Tavola rotante e telecamera ad alta velocità

Per le immagini radiografiche, il campione viene posizionato su una tavola rotante ad alta velocità sviluppata internamente, la cui velocità angolare può essere perfettamente sincronizzata con la velocità di acquisizione della telecamera. "Abbiamo utilizzato componenti particolarmente leggeri per questa tavola rotante in modo che possa raggiungere stabilmente una velocità di rotazione di 500 Hertz, "Spiega García Moreno.

Alla linea di luce TOMCAT all'SLS, specializzata nell'imaging a raggi X risolti nel tempo, Il fisico del PSI Christian Schlepütz ha utilizzato una nuova fotocamera ad alta velocità e ottiche speciali. "Questo aumenta la sensibilità in modo molto significativo, in modo che possiamo prendere 40 proiezioni 2D in un millisecondo, da cui creiamo un tomogramma, " spiega Schlepütz. Con il previsto aggiornamento SLS2.0, dal 2025 dovrebbero essere possibili misurazioni ancora più veloci con una risoluzione spaziale più elevata.

Elaborazione del flusso di dati

L'acquisizione di 1000 set di dati tridimensionali al secondo, e questo in un periodo di minuti, ha generato un enorme flusso di dati, che inizialmente era depositato presso il PSI. Finalmente, Il Dr. Paul Kamm di HZB era responsabile dell'ulteriore elaborazione e valutazione quantitativa dei dati. La ricostruzione dei dati grezzi in immagini 3D è stata effettuata in remoto da HZB sui computer ad alte prestazioni del PSI, ei risultati sono stati poi trasferiti a HZB per ulteriori analisi.

stelle filanti, dendriti e bolle

Il team ha dimostrato il potere della tomoscopia con vari esempi tratti dalla ricerca sui materiali:le immagini mostrano i cambiamenti estremamente rapidi durante la combustione di una scintilla, la formazione di dendriti durante la solidificazione delle leghe da colata o la crescita e la coalescenza di bolle in una schiuma metallica liquida. Tali schiume metalliche a base di leghe di alluminio vengono studiate come materiali leggeri, ad esempio per la costruzione di auto elettriche. La morfologia, le dimensioni e la reticolazione delle bolle sono importanti per ottenere le proprietà meccaniche desiderate come resistenza e rigidità in componenti di grandi dimensioni.

"Questo metodo apre le porte allo studio non distruttivo dei processi veloci nei materiali, che è ciò che molti gruppi di ricerca e anche l'industria stavano aspettando, "dice Garcia Moreno.