A maioria das pessoas está familiarizada com a tomografia computadorizada da medicina:uma parte do corpo é radiografada de todos os lados e uma imagem tridimensional é calculada, a partir do qual quaisquer imagens seccionais podem ser criadas para diagnóstico.

Este método também é muito útil para análise de materiais, testes de qualidade não destrutivos ou no desenvolvimento de novos materiais funcionais. Contudo, examinar esses materiais com alta resolução espacial e no menor tempo possível, a luz de raios X particularmente intensa de uma fonte de radiação síncrotron é necessária. No feixe síncrotron, mesmo mudanças e processos rápidos em amostras de materiais podem ser visualizados se for possível adquirir imagens tridimensionais em uma sequência de tempo muito curta.

De 200 a 1000 tomogramas por segundo

Uma equipe do HZB liderada pelo Dr. Francisco Garcia Moreno está trabalhando nisso junto com colegas da Swiss Light Source SLS no Paul Scherrer Institute (PSI), Suíça. Dois anos atrás, eles conseguiram um recorde de 200 tomogramas por segundo, chamando o método de tomoscopia de imagem rápida. Agora a equipe atingiu um novo recorde mundial:com uma velocidade de 1000 tomogramas por segundo, eles agora podem registrar processos ainda mais rápidos em materiais ou durante o processo de fabricação. Isso é alcançado sem grandes compromissos nos outros parâmetros:A resolução espacial ainda é muito boa em vários micrômetros, o campo de visão é de vários milímetros quadrados e períodos de registro contínuo de vários minutos são possíveis.

Mesa giratória e câmera de alta velocidade

Para as imagens de raios-X, a amostra é colocada em uma mesa rotativa de alta velocidade desenvolvida internamente, cuja velocidade angular pode ser perfeitamente sincronizada com a velocidade de aquisição da câmera. "Usamos componentes particularmente leves para esta mesa rotativa, de modo que ela pode atingir a velocidade de rotação de 500 Hertz de forma estável, "García Moreno explica.

Na linha de luz TOMCAT no SLS, que é especializada em imagens de raios-X com resolução temporal, O físico da PSI, Christian Schlepütz, usou uma nova câmera de alta velocidade e ótica especial. "Isso aumenta a sensibilidade de forma muito significativa, para que possamos fazer 40 projeções 2D em um milissegundo, a partir do qual criamos um tomograma, "Schlepütz explica. Com a atualização SLS2.0 planejada, medições ainda mais rápidas com resolução espacial mais alta devem ser possíveis a partir de 2025.

Processando o fluxo de dados

A aquisição de 1000 conjuntos de dados tridimensionais por segundo - e isso ao longo de um período de minutos - gerou um enorme fluxo de dados, que foi inicialmente armazenado no PSI. Finalmente, O Dr. Paul Kamm do HZB foi responsável pelo processamento adicional e avaliação quantitativa dos dados. A reconstrução dos dados brutos em imagens 3D foi realizada remotamente a partir do HZB nos computadores de alto desempenho do PSI, e os resultados foram então transferidos para HZB para análise posterior.

Sparklers, dendritos e bolhas

A equipe demonstrou o poder da tomoscopia com vários exemplos de pesquisas de materiais:As imagens mostram as mudanças extremamente rápidas durante a queima de um diamante, a formação de dendritos durante a solidificação de ligas de fundição ou o crescimento e coalescência de bolhas em uma espuma de metal líquido. Essas espumas de metal à base de ligas de alumínio estão sendo investigadas como materiais leves, por exemplo, para a construção de carros elétricos. A morfologia, o tamanho e a reticulação das bolhas são importantes para atingir as propriedades mecânicas desejadas, como resistência e rigidez em componentes grandes.

“Este método abre uma porta para o estudo não destrutivo de processos rápidos em materiais, que é o que muitos grupos de pesquisa e também a indústria estão esperando, "diz García Moreno.