Ist die Unschärfe eines Minifokus-Systems nicht die eigentliche Grenze dessen, was sich damit erreichen lässt, insbesondere bei 450 kV?

„Man wird sehen, was man sieht.“ (W. Röntgen 1896)

Im Frühjahr 2021 hielt die lang ersehnte 450-kV-Mesofocus-Röhre Einzug bei Yxlon, und die Unschärfe bzw. der Schleier verschwand aus den Aufnahmen. Ein Computertomographie-System (CT) mit der zuverlässigen 450-kV-Mesofocus-Röhre ermöglicht nun Auflösungen von bis zu 35 µm mit einem Detailreichtum, der zuvor von Mikrofocus-Systemen nur bei deutlich geringerer Energie bekannt war.

In diesem Blog möchten wir Ihnen erste Einblicke in die überzeugenden Laborergebnisse geben und Ihnen einen Ausblick auf künftige Möglichkeiten mit geschlossenen 450-kV-Strahlern bieten.

MesoFocus

In der Röntgentechnik bezeichnet „Meso“ als griechisches Präfix für „Mitte“ Strahlungsquellen mit Brennfleckgrößen, die zwischen Mini- und Mikrofocus liegen. Mit Brennfleckgrößen von bis zu 50 µm unterstützen die Mesofocus-Strahler Anwendungen, für die zuvor ausschließlich Mikrofocus-Röhren eingesetzt werden konnten.

Die Mesofocus-Technologie von Comet X-Ray stieß 2021 auf großes Interesse. Die 225-kV-Variante unterstützt eine Vielzahl von Anwendungen mit hohen Anforderungen an Auflösung und Stabilität sehr zuverlässig und arbeitet dabei im At-Line- und In-Line-Bereich wartungsfrei.

Die Mesofocus-Röhre vereint:

• Hohe Auflösung auf den Punkt gebracht 
• Einfache Bedienung, voreingestellte Parameter per Ein/Aus-Schalter und sonst nichts 
• Schnelle Einsatzbereitschaft 
• Extrem hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit 
• Minimaler Wartungsaufwand

Ist bei 225 kV bereits Schluss?

Bei Objekten aus Schwermetallen oder mit hoher Materialdichte ist der Wechsel auf eine höhere kV-Klasse (320, 450 oder 600 kV) erforderlich. Mit geschlossenen Röhren gibt es derzeit keine hochauflösende Lösung, die gleichzeitig zuverlässig, einfach und wartungsarm ist. [1]

Viele Industriezweige wie die Luft- und Raumfahrt sowie die additive Fertigung fordern seit Jahren – vom Labor bis zur Produktion – eine hochauflösende und robuste 450-kV-Lösung für DR- und CT-Anwendungen. Neben hoher Auflösung und Detailerkennbarkeit stehen stets weitere Anforderungen im Vordergrund: schnelle Einsatzbereitschaft, Hochspannungsstabilität, Wartungsfreiheit, einfache Bedienung und die Nutzung ohne spezielles Röhren-Know-how.

Mit der 450-kV-Mesofocus ist die Lösung nicht nur in Sichtweite oder zum Greifen nah, sondern bereits in unserem Labor im Einsatz. Wie schon bei der 225-kV-Mesofocus war Yxlon auch beim neuen 450-kV-Modell die erste Adresse, um die Röntgenquelle in der DR und CT im Detail zu evaluieren und mit anderen Lösungen zu vergleichen. Im Gegensatz zur 225-kV-Röhre bietet die 450-kV-Mesofocus derzeit 5 statt 3 Brennflecke (bei 1 W/µm): 450, 350, 250, 100 und 60 µm (bzw. W).

Erstes Beispiel

Eine 450-kV-HP11-Minifokus-Röntgenquelle hat einen Fokus von ca. 400 µm. Große Detektoren mit einer Pixelgröße im Bereich von 150 µm, die einen guten Kompromiss zwischen Auflösung, Effizienz und Datenvolumen bieten, ermöglichen eine Ortsauflösung von ca. 100–120 µm bzw. 4,5–5 Lp/mm. Um diese Auflösung im CT-System zu erreichen, wird eine Vergrößerung von etwa 2 gewählt. Kleinere Objekte aus Schwermetallen oder solche, die von diesen umgeben sind, werden daher nur mit geringem Detailreichtum abgebildet.

Anstatt eine spezielle Anwendung zu wählen, greifen wir zunächst auf ein leicht erkennbares Objekt mit feinen Strukturen zurück, um zu veranschaulichen, wie sich die Auflösung von heute auf morgen verändert – selbst bei 450 kV.

Feine Schweizer Mechanik mit versperrter Sicht

Passend zur Schweizer Technologieinnovation haben wir für das erste Beispiel eine feinmechanische Schweizer Armbanduhr ausgewählt. Das Gehäuse und Armband aus 14-karätigem (585er) Gold stellen hohe Anforderungen an die CT, womit 450 kV eine gute Wahl für die Multimaterial-CT sind.

Mit dem kleinen Fokus einer 450-HP11 sind nach heutigem Stand der Technik nur Teile der gröberen Uhrenmechanik erkennbar. Aufgrund fehlender Details ist es schwierig bis unmöglich, die mechanischen Funktionen, das Zusammenspiel oder die Verbindung einzelner Elemente zu erkennen.

Abb. 2: Aufgeklappte Armbanduhr (Rückseite)

Beim Öffnen der Uhr lässt sich die Mechanik problemlos in einer Auflösung betrachten, die mit einer Minifokus-CT (Abb. 3) nicht erreicht werden kann. Das Gehäuse und die Mechanik der Uhr bestehen aus einer Mischung verschiedener Materialien.

Die Armbanduhr ist ein perfektes Beispiel dafür, dass ein CT-Scan mit einer Minifokus-Röhre nicht die Auflösung erreicht, die wir mit unseren eigenen Augen gewohnt sind. Beispielsweise ist die Blattfeder kaum als Ring zu erkennen, und auf dieser sowie anderen Ebenen verschmelzen Zahnräder miteinander (Abb. 3 – links).

Das ändert sich nun im 450-kV-Bereich. Mit einem 60-µm-Fokus ist es mit einer geschlossenen Röhre keineswegs mehr abwegig, solche Mechaniken oder kleine Goldlötporositäten per CT zu untersuchen (Abb. 4 – rechts).

In diesem Beispiel ist die Unschärfe so stark reduziert, dass die Materialoberflächen scharf und deutlich hervortreten. Die Gewinde winziger Schrauben sind ebenso klar erkennbar wie die Blattfeder, um nur einige Details zu nennen. Die höhere Schärfe in der CT verringert zudem das Risiko, dass Details als störende Artefakte in andere Schichten rekonstruiert werden.

[1] Bei höheren kV-Klassen wie 450 kV könnte der Detektor im 2D-Bereich eine bessere Auflösung liefern. Hierbei ließen sich Anforderungen von unter 100 µm (D10-Duplex-Draht-IQI) erfüllen.

Im nächsten Blogbeitrag betrachten wir Porositäten in einer goldenen Lötstelle desselben Scans und beobachten, wie sich die Detailerkennbarkeit bei der Wahl des Fokus verändert.

Später in dieser Reihe zeigen wir ein Beispiel aus der additiven Fertigung mit einem 100 mm dicken, scheibenförmigen Kupferobjekt und der Möglichkeit zur Analyse der inneren Rauheit.