La mayoría de las personas están familiarizadas con la tomografía computarizada de la medicina: se toma una radiografía de una parte del cuerpo desde todos los lados y luego se calcula una imagen tridimensional, a partir de la cual se pueden crear imágenes seccionales para el diagnóstico.
Este método también es muy útil para el análisis de materiales, pruebas de calidad no destructivas o en el desarrollo de nuevos materiales funcionales. Sin embargo, para examinar dichos materiales con alta resolución espacial y en el menor tiempo posible, se requiere la luz de rayos X particularmente intensa de una fuente de radiación de sincrotrón. En el haz de sincrotrón, incluso los cambios y procesos rápidos en las muestras de material se pueden visualizar si es posible adquirir imágenes tridimensionales en una secuencia de tiempo muy corta.
De 200 a 1000 tomogramos por segundo
Un equipo de HZB dirigido por el Dr. Francisco García Moreno está trabajando en esto junto con colegas de Swiss Light Source SLS en el Paul Scherrer Institute (PSI), Suiza. Hace dos años, lograron un récord de 200 tomogramas por segundo, llamando al método de imágenes rápidas tomoscopia. Ahora el equipo ha logrado un nuevo récord mundial: con una velocidad de 1000 tomogramos por segundo, ahora pueden registrar procesos aún más rápidos en materiales o durante el proceso de fabricación. Esto se logra sin mayores compromisos en los otros parámetros: la resolución espacial sigue siendo muy buena a varios micrómetros, el campo de visión es de varios milímetros cuadrados y son posibles períodos de grabación continua de hasta varios minutos.
Mesa giratoria y cámara de alta velocidad
Para las imágenes de rayos X, la muestra se coloca sobre una mesa giratoria de alta velocidad desarrollada internamente, cuya velocidad angular se puede sincronizar perfectamente con la velocidad de adquisición de la cámara. "Usamos componentes particularmente livianos para esta mesa giratoria para que pueda alcanzar una velocidad de rotación de 500 Hertz de manera estable", explica García Moreno.
En la línea de luz de TOMCAT en el SLS, que se especializa en imágenes de rayos X de resolución temporal, el físico de PSI Christian Schlepütz utilizó una nueva cámara de alta velocidad y ópticas especiales. "Esto aumenta la sensibilidad de manera muy significativa, de modo que podemos tomar 40 proyecciones 2D en un milisegundo, a partir de las cuales creamos un tomograma", explica Schlepütz. Con la actualización planificada de SLS2.0, deberían ser posibles mediciones aún más rápidas con una resolución espacial más alta a partir de 2025.
Procesando el flujo de datos
La adquisición de 1000 conjuntos de datos tridimensionales por segundo, y esto durante un período de minutos, generó un enorme flujo de datos, que inicialmente se almacenó en el PSI. Finalmente, el Dr. Paul Kamm de HZB fue responsable del procesamiento posterior y la evaluación cuantitativa de los datos. La reconstrucción de los datos sin procesar en imágenes 3D se llevó a cabo de forma remota desde HZB en las computadoras de alto rendimiento en PSI, y los resultados luego se transfirieron a HZB para su posterior análisis.
Bengalas, dendritas y burbujas
El equipo demostró el poder de la tomoscopia con varios ejemplos de la investigación de materiales: las imágenes muestran los cambios extremadamente rápidos durante la combustión de una bengala, la formación de dendritas durante la solidificación de las aleaciones de fundición o el crecimiento y coalescencia de burbujas en una espuma metálica líquida. . Estas espumas metálicas basadas en aleaciones de aluminio se están investigando como materiales ligeros, por ejemplo, para la construcción de coches eléctricos. La morfología, el tamaño y la reticulación de las burbujas son importantes para lograr las propiedades mecánicas deseadas, como resistencia y rigidez en componentes grandes.
“Este método abre una puerta al estudio no destructivo de procesos rápidos en materiales, que es lo que estaban esperando muchos grupos de investigación y también la industria”, dice García Moreno.
Escrito y publicado por: Helmholtz Association of German Research Centres | PhysOrg
Septiembre 27, 2021
Originalmente publicado: https://phys.org/news/2021-09-world-materials-x-ray-microscopy-tomograms.html