Dynamische Vorgänge wie beispielsweise Verformungsanalysen wurden bislang fast ausschließlich mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitskameras optisch „von außen“ sichtbar gemacht. Dynamisches Röntgen mit einer zeitlich hochaufgelösten Erfassung von mehr als 1.000 Bildern pro Sekunde konnte nur unter hochspezialisierten Laborbedingungen durchgeführt werden. Das ändert sich nun. Das Fraunhofer-Entwicklungszentrum Röntgentechnik EZRT, ein Bereich des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS, hat eine Technologie entwickelt, die eine synchrone, zeitlich hochaufgelöste Erfassung einer optischen Aufnahme und einer Röntgenaufnahme ermöglicht. Die Technologie erlaubt es, sichtbare Oberflächen und innere, verborgene Strukturen bei dynamischen Prozessen im gleichen Vorgang und aus gleicher Perspektive aufzunehmen.
Die neue Technologie eignet sich insbesondere für die synchrone Beobachtung innerer sowie äußerer Strukturen, die eine dynamische Veränderung erfahren, wie beispielsweise bei Versagens- und Verformungsanalysen oder bei Strömungs- und Mischprozessen in Fluiden. Auch die korrekte Entfaltung eines Airbags ist mit der Technologie nachvollziehbar. Die so gewonnenen Daten ermöglichen eine genauere Soll-Ist-Analyse des zeitlichen Verhaltens und den Vergleich mit anderen Datenquellen. „Wir haben bereits unterschiedlichste Experimente durchgeführt, um das Potenzial der Technologie zu bewerten. So haben wir zum Beispiel mit dem ortsansässigen Sportartikelhersteller Uvex Sports auch dynamische Versuche an unterschiedlichen Helmen vorgenommen. Insbesondere für die Vorentwicklung von neuen Produkten sind die Ergebnisse vielversprechend und liefern wertvolle Erkenntnisse“, erklärt Dr. Norman Uhlmann, stellvertretender Bereichsleiter des Fraunhofer EZRT.
Der Technologie-Demonstrator am Fraunhofer EZRT kombiniert die optische Abbildung mit der Röntgenabbildung, indem sich die Wissenschaftler die Transparenz von Materialien für Röntgenstrahlung zunutze machen. Über das optische Detektormodul V-Eye-HS, welches zwischen Röntgenquelle, Experiment und Röntgendetektor X-Eye-HS angeordnet wird, ist es möglich, die optische Abbildung und die Röntgenabbildung aus derselben Perspektive zu erfassen. Das Detektormodul V-Eye-HS wird dabei von der Röntgenstrahlung durchdrungen, welche das dahinter- oder gegebenenfalls auch davorliegende Objekt durchleuchtet.
Die Bildaufnahme der beiden Detektoren erfolgt synchron und ermöglicht somit den direkten Vergleich innerer und äußerer dynamischer Prozesse oder Verformungen. Bis auf einen geringen Intensitätsverlust ist das entstehende Röntgenbild von der gleichzeitigen optischen Erfassung unbeeinträchtigt. Ebenso beeinflussen die für die optische Erfassung erforderlichen starken Beleuchtungen aufgrund der sehr hohen Bildwiederholraten beziehungsweise sehr kurzen Belichtungszeiten die Röntgenaufnahme nicht.
Röntgensystem kann kundenindividuell
an die Fragestellung angepasst werden
Der zum Einsatz kommende Röntgendetektor X-Eye-HS verfügt im aktuellen Messaufbau über eine Detektorfläche von bis zu 40 x 40 cm². Durch die Aufnahmegeometrie werden die Objekte beziehungsweise der zu untersuchende Bereich im Bildfeld vergrößert dargestellt. Dies führt abhängig von der jeweilig gewählten Abbildungsgeometrie zu einem Bildausschnitt von 30 x 30 cm². Die räumliche Abtastung des Objekts erfolgt in einem circa 1.000 x 1.000 Pixel betragenden Raster. Damit ist bei dem aktuell realisierten Aufbau eine Pixelgröße von ca. 400 µm und darunter erreichbar. Details von etwa einem halben Millimeter können so gestochen scharf während der Verformung betrachtet werden.
Die Technologie kann aber nahezu beliebig skaliert und somit exakt an die Fragestellung und die örtlichen Gegebenheiten der Anwendung angepasst werden. Dabei wurden bereits Anwendungen mit einer Pixelgröße von 50 µm und einem Sichtfeld von 10 x 10 cm für den Bereich der Mikroelektronik realisiert.
Dank der X-Eye-Bauweise eröffnet die Lösung den Zugang zu bisher nicht erreichbaren Bildgrößen. Anders als bei konventionellen Röntgendetektoren wie Röntgenbildverstärkern oder sogenannten Flachbilddetektoren kann das Bildfeld der X-Eye HS in allen Richtungen randlos aneinander angereiht werden. So können selbst große Objekte wie ein sich ausdehnender Airbag in voller Größe erfasst werden. Die erzielbaren Bildwiederholraten entsprechen denen moderner Hochgeschwindigkeitskameras, wobei das erfasste Signal während der Messung auch hier zunächst auf der Kamera zwischengespeichert wird und erst im Nachgang zur Auswertung auf einen PC übertragen wird.
Die effektiv nutzbare Bildwiederholrate hängt jedoch besonders an dem zu untersuchenden Objekt und dessen Anforderung bezüglich Durchstrahlbarkeit mittels Röntgenlicht ab, welches für qualitativ hochwertige Aufnahmen ebenfalls die Auswahl einer optimalen Röntgenquelle bedingt. Je nach Energie und Leistung kommen industrielle sowie medizinische Röntgenquellen zum Einsatz mit Leistungen zwischen 1 und 11 kW. Das optische Detektormodul V-Eye-HS, welches die synchrone visuelle Filmaufnahme durchführt und gestreuter Röntgenstrahlung ausgesetzt ist, basiert auf der Technologie des Röntgendetektors X-Eye-HS. Dieses Modul ist ebenfalls auf die jeweiligen Anforderungen hinsichtlich Bildwiederholrate, Sichtfeld sowie Pixelgröße individuell anpassbar.
Das Fraunhofer EZRT verfügt über das Know-how in allen relevanten Disziplinen wie etwa der Entwicklung auf die Anwendung optimierter Röntgendetektoren sowie auch optischer Detektoren, beim Systemdesign und der Aufnahmetechnik gesamter Röntgensysteme sowie der Verarbeitung und Auswertung der Bilddaten. Die detaillierte Ausgestaltung der Anlage unter allen relevanten Gesichtspunkten erfolgt im Rahmen eines Entwicklungsprojekts. Prinzipiell ist es auch möglich, Verformungsanalysen bei komplett endmontierten Fahrzeugen mit der Technologie zu untersuchen. ■
Entwicklungszentrum Röntgentechnik
Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS
Flugplatzstraße 75
90768 Fürth
Tel. +4991158061o
www.iis.fraunhofer.de
Die Autoren
Rolf Behrendt
Gruppenleiter
Sensorik
Michael Salamon
Gruppenleiter Hochenergie-RöntgensystemeFraunhofer IIS
www.iis.fraunhofer.de
