Ultraschnelle Röntgentomografie mit gescanntem Elektronenstrahl
Final Report Abstract
Im Projektzeitraum wurde das von HZDR und IKE entwickelte ultraschnelle dreidimensionale Elektronenstrahl-CT-System bezüglich Leistungsfähigkeit (Ortsauflösung und Rauschniveau) optimiert. Hierzu wurde die Lagestabilität des Elektronenstrahls maximiert, der Detektorring auf 320 Elemente erweitert und dadurch bestehende Lücken geschlossen. Mit dem optimierten System konnte eine Ortsauflösung von 0,5 lp/mm bei 10% MTF (Modulation Transfer Function) nachgewiesen werden. Vorher vorhandene Strahlartefakte wurden eliminiert. Durch Weiterentwicklung des Rekonstruktionsalgorithmus können 3D-Bildmatrizen mit 256 x 256 x 10 Einträgen mit einer Geschwindigkeit von 20 s/Bild berechnet werden. Die Rekonstruktionsqualität des Volumenbildes ist dabei mit der 2D-Rekonstruktion vergleichbar. Die Leistungsfähigkeit des Systems wurde durch zusätzliche Phantom- und Demonstrationsexperimente nachgewiesen. Durch Versuche mit einem dynamischen Auflösungsphantom konnte gezeigt werden, dass Blasen ab einem Durchmesser von 1,7 mm bis zu einer Aufstiegsgeschwindigkeit von 25 cm/s mit Sicherheit detektiert werden. Eine Beeinflussung der Objektabbildung durch die Aufstiegsgeschwindigkeit konnte dabei nicht festgestellt werden. In einem Demonstrationsexperiment wurde der Einfluss eines Gittersensors auf eine Blasenströmung sowie auf die vom Sensor gemessenen Gasgehalte tomographisch untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass die momentanen gemessenen Gasgehalte von Gittersensor und CT-System um maximal 1,3% abweichen. Durch die Versperrung des Gittersensors kommt es jedoch zu einem Staueffekt, welcher bei geringen Gasmassenströmen zur Messung eines erhöhten Gasgehalts führt. Im zweiten Demonstrationsexperiment wurden die komplexen Strömungsformen einer auftriebsgetriebenen Zweiphasenströmung in einem monodispersen Partikelschüttbett untersucht. Ziel war es die Übergange der Strömungsformen Blasen-, Kolbenblasen- und Ringströmung objektiv und wiederholbar zu detektieren. Da mit dem isothermen Strömungsexperiment reale Siedeprozesse nicht abgebildet werden können, war dies jedoch nur für den Übergang von der Kolbenblasen- zur Ringströmung möglich. Dabei wurde eine Abhängigkeit des Übergangs vom Partikeldurchmesser nachgewiesen, wie sie bereits in theoretischen Arbeiten publiziert wurde. Auf Basis der Ergebnisse aus den Tomographieversuchen wurde ein am IKE verwendetes Reibungsmodell optimiert und eine modifizierte Strömungsformenkarte implementiert. Durch Simulationen mit dem neuen Modell konnte gezeigt werden, dass die Übereinstimmung von berechneten, maximal abführbaren Wärmeströmen mit Ergebnissen aus Siedeversuchen signifikant verbessert wurde.
Publications
- X-ray computed tomography arrangement, international patent no. WO 2008/101470 A1, 2008
U. Hampel, F. Fischer
- A Device for Ultrafast Three-Dimensional X-Ray Computed Tomography with a Scanned Electron Beam, IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, 23-29 October, 2011, Valencia, Spain
T. Stürzel, M. Bieberle and U. Hampel
(See online at https://doi.org/10.1109/NSSMIC.2011.6154317) - Experimental facility for two- and three-dimensional ultrafast electron beam x-ray computed tomography, Rev. Sci. Instrum 82 (2), S. 23702, 2011
T. Stürzel, M. Bieberle, E. Laurien, U. Hampel, F. Barthel, H.-J. Menz, H.-G. Mayer
(See online at https://doi.org/10.1063/1.3529435) - Transparent target for ultrafast electron beam tomography, Nucl. Instrum. Meth. A 635 (1), S. 8–12, 2011
U. Hampel, F. Barthel, M. Bieberle, T. Stürzel
(See online at https://doi.org/10.1016/j.nima.2011.01.075) - Ultrafast three-dimensional x-ray computed tomography, Appl. Phys. Lett. 98 (3), S. 34101, 2011
M. Bieberle, U. Hampel, F. Barthel, H.-J. Menz, H.-G. Mayer
(See online at https://doi.org/10.1063/1.3534806) - Ultrafast electron beam X-ray computed tomography for 2D and 3D two-phase flow imaging, IEEE International Conference on Imaging Systems and Techniques (IST’2012), 16.- 17.072012, Manchester, United Kingdom, 2012
M. Bieberle, F. Barthel, D. Hoppe, M. Banowski, M. Wagner, D. Lucas, T. Stürzel, U. Hampel
(See online at https://doi.org/10.1109/IST.2012.6295548) - Ultrafast full-angle volumetric X-ray tomography, 6th International Symposium on Process Tomography, 26.-28.03.2012, Cape Town, South Africa, 2012
M. Bieberle, T. Stürzel, H.-J. Menz, U. Hampel
