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Röntgenbildgebung

Bei der Röntgenbildgebung wird das zu untersuchende Objekt mit Röntgenstrahlen durchleuchtet und das Schattenbild mittels einer digitalen Röntgenkamera, dem sogenannten Röntgendetektor, aufgenommen.

Da das Röntgenlicht bei der Durchstrahlung des Objekts beeinflusst wird, können innere Strukturen sichtbar gemacht und ein drei-dimensionales Computermodell mit sehr hoher Detailgenauigkeit erzeugt werden.

Je nach verwendeter Röntgenmethode können somit mögliche Defekte erkannt, Materialien unterschieden und Mikrostrukturparameter bestimmt werden. Aufgrund der vielfältigen Möglichkeiten, welche die Röntgenbildgebung bietet, findet sie eine breite Anwendung quer durch alle Branchen.


Digitale Radiographie

Die digitale Röntgen-Radiographie (Durchstrahlungsprüfung) wird eingesetzt um einen ersten Eindruck vom Inneren des Objekts zu erhalten oder eine schnelle Prüfung von Bauteilen durchzuführen. Dafür wird das Objekt mit Röntgenstrahlen durchleuchtet und ein vergrößertes, zwei-dimensionales Schattenbild mit einem Röntgendetektor aufgenommen. Mit dieser relativ einfachen Methode können unterschiedliche Defekte wie Lufteinschlüsse, Risse oder Kabelbrüche erkannt werden. Da hierbei das drei-dimensionale Objekt auf ein zwei-dimensionales Bild reduziert wird, können sich innere Strukturen ungünstig überlagern und somit gegenseitig verdecken. Auch quantitative Aussagen über die Beschaffenheit des Objekts sind bei dieser Technik kaum möglich.


Mikro-Computertomographie (µCT)

Wenn man ein drei-dimensionales Abbild des Objekts erhalten möchte, so muss man dieses aus unterschiedlichen Richtungen durchleuchten und viele Schattenbilder aufnehmen. Aus diesen Daten kann dann mittels spezieller Rekonstruktionsalgorithmen das 3D Modell am Computer erstellt werden. Von Mikro-Computertomographie spricht man, wenn die Probe mit einer räumlichen Auflösung von etwa 5 µm bis wenige 100 µm gemessen und dargestellt wird. Das Auflösungsvermögen korreliert hierbei mit der Größe des zu untersuchenden Objekts. Wenn das vollständige Objekt abgebildet werden soll, gilt als Faustregel für die erreichbare Auflösung: Objektbreite geteilt durch 1000 oder 2000, je nach verwendetem Detektorsystem. Abhängig von der benötigten Auflösung und den Materialien, aus denen das Objekt besteht, können Objekt mit einer Größe von bis zu etwa 40-50 cm tomographiert werden.


Submikro-Computertomographie (sub-µCT)

Mithilfe der Submikro-Computertomographie können Strukturen im Bereich von 1 µm bis 5 µm sichtbar gemacht werden, welche in der gewöhnlichen Mikro-Computertomographie verborgen bleiben. Dies wird entweder durch eine starke geometrische Vergrößerung des Objekts erreicht oder durch eine optische Vergrößerung innerhalb des Röntgendetektors. Die hohe Detailgenauigkeit ermöglicht zum Beispiel die Darstellung einzelner Fasern in kohlenstoffverstärkten Kunststoffen (CFK) oder die Detektion kleiner Mikro-Risse und feiner Porositäten in Materialien und Bauteilen. Auch Objekte mit Größen von wenigen Zentimetern können auf diese Weise untersucht werden, wenn nur ein bestimmter Teilbereich (region-of-interest) zur Beantwortung der Fragestellung betrachtet werden muss.


Dunkelfeld-Radiographie

Um auch größere Objekte auf der Mikrostrukturebene untersuchen und Details unterhalb der Auflösungsgrenze des Röntgensystems detektieren zu können, wurde in den letzten Jahren die Dunkelfeldbildgebung entwickelt. Unter Verwendung von optischen Gittern können Änderungen in der Materialbeschaffenheit von wenigen Mikrometern durch die dadurch hervorgerufene Streuung der Röntgenstrahlen erkannt werden. Wie bei der digitalen Radiographie wird auch bei der Dunkelfeldbildgebung nur ein zwei-dimensionales Bild des Objekts erzeugt. Dafür können das Auftreten kleiner Risse oder feiner Porositäten und andere Mikrostrukturänderungen schnell und zuverlässig erfasst werden. Auch Inline-Systeme zur Qualitätssicherung sind mit dieser Technik somit denkbar.


Tensor-Tomographie

Die Erweiterung der Dunkelfeldbildgebung auf den drei-dimensionalen Fall wird Tensor Tomographie genannt. Auch hier misst man die Streuung kleinster Strukturen durch den Einsatz optischer Gitter. Im Gegensatz zur radiographischen Dunkelfeldgebung wird das Objekt jedoch durch Rotation um alle drei Raumachsen von allen möglichen Richtungen durchstrahlt. Durch spezielle Prozessierung und Rekonstruktion der erhaltenen Daten kann mit dieser Methode das vollständige Objekt und die mittlere Ausrichtung dessen Mikrostrukturen dargestellt werden. Momentan ist diese Art von Untersuchung auf Objekte mit einer Größe von einigen Zentimetern wie zum Beispiel faserverstärkte Bauteile aufgrund der limitierten Fläche der optischen Gitter begrenzt.


Multi-Energie-Verfahren (Dual-energy CT)

Multi-Energie Verfahren sind ebenfalls neuere Entwicklungen in der Röntgenbildgebung und werden eingesetzt, um im Objekt vorhandene Materialien besser zu charakterisieren und unterscheiden zu können. Wie der Name bereits suggeriert, wird bei dieser Methode das Objekt mit unterschiedlichen Röntgenenergien, bzw. Röntgenspektren untersucht. Dabei wird ausgenutzt, dass die Interaktion der Röntgenstrahlung sowohl mit der Energie als auch mit der Ordnungszahl des jeweiligen Materials variiert. Im radiographischen Betrieb können auf diese Weise zum Beispiel Gegenstände im Handgepäck am Flughafen sicherer identifiziert werden. In der Computertomographie (µCT und sub-µCT) ist durch den Gebrauch zweier Röntgenspektren (Dual-energy CT) und geeigneter Kalibriermessungen sogar die Bestimmung der Dichte und Kernladungszahl einzelner Materialien möglich.


Phasenkontrast-Bildgebung

Bei Materialien mit niedrigen Kernladungszahlen, wie sie bei biologischen Proben oder Kunststofferzeugnissen häufig zu finden sind, kann mit der konventionellen Mikro-Computertomographie oftmals nicht der notwendige Kontrast zwischen verschiedenen Strukturen für weiterführende Datenanalysen erzeugt werden. In diesen Fällen kann man die wellen-optischen Eigenschaften von Röntgenstrahlen nutzen und die Bildqualität durch Verwendung phasen-sensitiver Methoden signifikant steigern. Bei hochauflösenden Submikro-Computertomographie Messungen können durch die richtige Parameterwahl und spezielle Algorithmen ohne weitere Hilfsmittel kontrastreiche Phasenkontrastbilder extrahiert werden. Möchte man die Brechung der Röntgenstrahlen auch mit Mikro-Computertomographie Systemen detektieren können, so ist hierzu wie bei der Dunkelfeld-Bildgebung und Tensor-Tomographie der Einsatz optischer Gitter notwendig.


Röntgen-Kontrastmittel (Staining)

Eine weitere Möglichkeit zur Kontraststeigerung besonders bei biologischen Gewebeproben ist die Anwendung geeigneter Röntgen-Kontrastmittel, welche ein hohes Absorptionsvermögen aufweisen und sich gewebe-spezifisch innerhalb der Probe anlagern. In einem Vorbereitungsprozess, auch Staining genannt, wird die Probe hierzu vor der Messung entsprechend präpariert und mit einem Kontrastmittel angefärbt. Auf diese Weise können bestimmte Gewebearten wie zum Beispiel Tumore visualisiert und sogar einzelne Zellen dargestellt werden. Dadurch werden zukünftig neue diagnostische Verfahren wie die 3D-Histologie für pathologische Befundungen ermöglicht.