Porositäten in Gold und der Unruhfeder

Heute konzentrieren wir uns auf den Fokus und holen Details in hoher Auflösung hervor.

Eine hohe Auflösung in der Computertomographie (CT) wird durch einen sehr kleinen Fokus, eine höhere Vergrößerung und ein präzise ausgerichtetes System mit einer sehr genauen Rotationsachse erreicht. Damit stellt sich jedoch wieder die Frage nach der richtigen kV-Klasse für das Objekt und das zu prüfende Material.

Selbst ohne höchste Auflösungsansprüche stellen Schwermetalle eine große Herausforderung für die CT dar. Im Extremfall absorbieren Schwermetalle wie Wolfram oder Gold 225-kV-Strahlung rasch. Bei Verwendung von 2 mm Cu als Aufhärtungsfilter reicht bereits ein halber Millimeter Wolfram oder Gold aus, um 90 % der Strahlung hauptsächlich zu absorbieren und zu streuen. Die 90-%-Absorptionsdicke verändert sich bei 450 kV und 3 mm Sn-Filter drastisch um den Faktor 7 auf 3,5 mm. 3d-Metalle wie Eisen, Kupfer und Nickel sind etwas einfacher zu handhaben, werden aber aufgrund des Objektdurchmessers ebenfalls schnell zur Herausforderung. Daher bietet der 450-kV-MesoFocus die perfekt flexible Lösung für hochkomplexe Schwermetalle.

Detailerkennbarkeit

Die Erkennbarkeit von Details zeigt sich in 2D-Bildern oft anhand gerader Linien oder bei 3D-Anwendungen anhand von Wänden. Solche Details lassen sich noch weit unterhalb der räumlichen Auflösung nachweisen, da sie erst allmählich mit der Unschärfe in senkrechter Richtung zu ihrer Orientierung verschwinden.

Bei Porositäten geht die Detailerkennbarkeit in der CT nahe der Auflösung verloren, da die Verwischung über drei Dimensionen den Kontrast einer Pore rasch – und in verrauschten Bildern noch schneller – abfallen lässt. Details, die eigentlich scharf sein sollten, wirken dann wie homogenes Material. Dies lässt sich besonders gut beobachten, wenn wir die Auflösung über die Fokusgröße verändern.

Gemäß ASTM E2698 sowie einfacher Berechnungen ermöglicht ein kleinerer Fokus eine höhere Vergrößerung. Die Erfahrung zeigt, dass sich stets etwas stärker vergrößern lässt, als es Formeln empfehlen. Dies liegt in der Regel daran, dass die Fokuspunkte oder deren Profil schärfer sind als angegeben.

Häufig ist die Vergrößerung entweder zu gering, sodass man sich der Detektorauflösung annähert, optimal für die maximal erreichbare Auflösung oder zu hoch. Ist sie zu hoch, kommt es erneut zu einem unerwünschten Verlust an Schärfe und Auflösung.

Daher begrenzt die optimale Vergrößerung auch die Iso-Voxelgröße in der Computertomografie (CT). Dies verdeutlicht einmal mehr die Grenzen von Minifokus-Systemen, bei denen die Voxel oft größer sind als die zu erwartenden Indikationen.

Porositäten in Gold

Eine Armbanduhr liefert hierfür ein schönes Beispiel, wenn man die Lötverbindung der Bandanstöße am Gehäuse betrachtet. Aus bestimmten Gründen treten in den Anstößen zahlreiche Porositäten auf.

Ausgehend von einer nominalen Fokusgröße von 350 µm wird eine Vergrößerung von etwa 2 empfohlen.

Den Nennwerten nach sollte die Auflösung in etwa der einer Minifokus-CT entsprechen. Ein direkter Vergleich zeigt jedoch, dass selbst der 450-µm-Fokus des MesoFocus schärfere Ergebnisse erzielt als der 700-W-400-µm-Fokus des HP11.

Abbildung 1 zeigt einen Ausschnitt des Regions-of-Interest-Bereichs. Der Querschnitt verläuft parallel zum Zifferblatt und zeigt neben den Bandanstößen auch einen Teil des Armbands. Um den Einfluss der Voxelgröße zu veranschaulichen, habe ich den Interpolationsmodus der Schnittansicht deaktiviert.

Abb. 1: CT mit 350-µm-Fokus des 450-kV-MesoFocus

Mit einer Auflösung von rund 110 µm bzw. 4,5 Lp/mm und einer Voxelgröße von 75 µm sind im Bild einige Porositäten erkennbar.

Beim Wechsel auf den 250-µm-Fokus wird dies noch etwas detailreicher. Die Umstellung auf 250 µm erhöht die Vergrößerung von 2 auf 2,5 und verringert die Voxelgröße von 75 µm auf 56 µm. Die nicht interpolierte Schnittansicht wird feiner, und die erwartete Ortsauflösung steigt von 103 µm auf 85 µm (6 Lp/mm). Damit erreichen wir die Anforderungen der Norm ASTM E2002 D10 für Luft- und Raumfahrtanwendungen. Im Lötbereich sind größere Poren nun kontrastreicher und kleinere Poren überhaupt erst sichtbar. Aber auch der Armbandmechanismus lässt die Feder besser erkennen: Anstelle des Grau-in-Grau aus Abbildung 1 ist nun der bewegliche Bolzen zu sehen, der den Bandstift hält.

Abb. 2: CT mit 250-µm-Fokus des 450-kV-MesoFocus

Deutlich mehr Auflösung und Vergrößerung lässt sich mit dem kleinsten, nominal 60 µm großen Fokus erzielen. Eine 5,7-fache Vergrößerung und eine Voxelgröße von 25 µm sind so fein, dass sich die nicht interpolierte Schnittansicht kaum noch von der üblichen interpolierten Ansicht unterscheidet.

Hier kommen Details zutage, die in den anderen beiden CT-Scans nicht einmal zu erahnen waren. Zwischen und um größere Poren herum zeigen sich zahlreiche kleine Poren.

Abb. 3: CT mit 60-µm-Fokus des 450-kV-MesoFocus

Zudem habe ich einen direkten Vergleich zwischen dem Scan mit dem 60-µm-Fokus und der zuvor gezeigten Minifokus-CT aus dem ersten Teil erstellt. Der Querschnitt ist hierbei auf die Lötebene ausgerichtet.

Abb. 4: Vergleich 400 µm 450 kV Minifokus (links) mit 60 µm 450 kV MesoFocus (rechts)

Unruh

„Dünner als ein menschliches Haar, aber voller Kraft.“

So wird die feine Nivarox-Feder („nicht variabel, nicht oxidierend“) beschrieben, die für den Gang der Uhr verantwortlich ist.

Diese Feder bot ein weiteres schönes Beispiel, um den Auflösungsgewinn zu veranschaulichen und zu zeigen, wie Details erscheinen, deren Größe unterhalb der Ortsauflösung liegt.

Im direkten Vergleich zeigen die CT-Scans bei 350 µm und 250 µm zwar mehr Schärfe, aber keine echte Verbesserung bei der Auflösung der Feder im Zentrum der Unruh.

Abb. 5: Montage 250 µm (linke Hälfte) und 350 µm (rechte Hälfte) Fokus des 450-kV-MesoFocus

Dies ändert sich sichtbar beim kleinsten Fokus mit 60 µm. Die sauber gewickelte Spiralfeder ist nun deutlich zu erkennen, ebenso wie die Schlitze an den Einspannstellen. Eine zusätzliche Überlagerung der CT-Schnittansicht mit einer Mikrofokus-2D-Aufnahme zeigt, dass die Nivarox-Feder noch dünner ist, als sie in der Rekonstruktion erscheint. Man kann daher davon ausgehen, dass die Federdicke unterhalb der Ortsauflösung liegt.

Abb. 6: CT mit 60-µm-Fokus des 450-kV-MesoFocus

Abb. 7: Montage 60-µm-Fokus-CT des 450-kV-MesoFocus mit µ-Fokus-2D-Insert

Ein ähnlich hoher Gewinn an Erkennbarkeit ist bei sehr feinen Rissen zu erwarten, allerdings sind diese in der Regel deutlich tiefer als breit.

Im nächsten Blogbeitrag widmen wir uns einer mittelgroßen, additiv gefertigten Kupferprobe.