Michael Harwardt

Refraction computed tomography

Abstract For the first time metal matrix composites have been investigated by 3D computed tomography combined with enhanced interface contrast due to X-ray refraction. The related techniques of refraction topography and refraction computed tomography have been developed and applied during the last decade to meet the actual demand for improved non-destructive characterization of high performance composites, ceramics and other low-density materials and components. X-ray refraction is an optical effect that can be observed at small scattering angles of a few minutes of arc as the refractive index n of X-rays is nearly unity (n = 1 − 10−6). Due to the short X-ray wavelength, the technique determines the amount of inner surfaces and interfaces of nanometer dimensions. The technique can solve many problems in understanding micro and sub microstructures in materials science. Applying 3D refraction computed tomography, some questions could be clarified for a better understanding of fatigue failure mechanisms under cyclic loading conditions.

Analyser-based tomography images of cartilage.

Analyser-based imaging expands the performance of X-ray imaging by utilizing not only the absorption properties of X-rays but also the refraction and scatter rejection (extinction) properties. In this study, analyser-based computed tomography has been implemented on imaging an articular cartilage sample, depicting substructural variations, without overlay, at a pixel resolution of 3.6 microm.

Characterization of Metal Matrix Composites by Synchrotron Refraction Computed Topography

X-ray computed tomography is an important tool for evaluating the three dimensional microstructure of modern materials non-destructively. To resolve material structures in the micrometre range and below high brilliance synchrotron radiation has to be taken. But materials of low absorption or mixed phases show a weak absorption contrast at there interfaces. A Contrast enhancement can be achieved by exploiting the refraction of X-rays at interfaces. This technique was developed and applied at the NDT department of the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) during the last decade. It meets the actual demand for improved non-destructive characterisation of high performance composites, ceramics and other low density materials and components. The technique is based on Ultra Small Angle Scattering (USAXS) by micro structural elements causing phase related effects like refraction and total reflection at a few minutes of arc as the refractive index of X-rays is nearly unity. The extraordinary refraction contrast of inner surfaces is far beyond absorption effects and hence especially useful for materials of low absorption or mixed phases, showing similar X-ray absorption properties. Crack orientation and fibre-matrix debonding in plastics, polymers, ceramics and metal-matrix-composites after cyclic loading and hydro thermal aging can be visualized. By combining the refraction technique with the computed tomography technique the three dimensional imaging of the micro structure of the materials is obtained. In most cases the investigated inner surface and interface structures correlate to mechanical properties. Recent results with a sub-micrometer resolution will be presented.

Refraction enhanced micro-CT for non-destructive materials characterization

X-ray computed tomography is an important tool for evaluating the three dimensional microstructure of modern materials non-destructively. To resolve material structures in the micrometer range and below high brilliance synchrotron radiation has to be taken. The Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) has built up an imaging setup for micro-tomography and -radiography (BAMline) at the Berliner storage ring for synchrotron radiation (BESSY). In computed tomography the contrast at interfaces within heterogeneous materials can be strongly amplified by effects related to X-ray refraction. Such effects are especially useful for materials of low absorption or mixed phases showing similar X-ray absorption properties which produce low contrast. The technique is based on Ultra Small Angle Scattering (USAXS) by micro structural elements causing phase related effects like refraction and total reflection. The extraordinary contrast of inner surfaces is far beyond absorption effects. Crack orientation and fiber-matrix debonding in plastics, polymers, ceramics and metal-matrix composites after cyclic loading and hydro thermal aging can be visualized. In most cases the investigated inner surface and interface structures correlate to mechanical properties. The technique is an alternative to other attempts on raising the spatial resolution of CT machines. Recent results are presented.

Röntgentopografische Verfahren mit Klein- und Weitwinkelstreuung — Ein Überblick

Kurzfassung Röntgentopografische Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass die Streueigenschaften eines Probekörpers ortsaufgelöst erfasst werden. Somit vereinen sie die Vorzüge der bildgebenden Eigenschaft der Radiografie mit der Strukturselektivität der Rönt—genanalyse. Sowohl die Röntgen-Weitwinkelstreuung als auch die Röntgen-Kleinwinkelstreuung (bzw. -Beugung und -Refraktion) werden topografisch für die Materialcharakterisierung eingesetzt. Die Topografieverfahren und Untersuchungsbeispiele an modernen Werkstoffen (kohlefaserverstärkte Komposite, Keramiken) werden dargestellt. Schließlich wird ein Beispiel für die Anwendung der Röntgenrefraktions-CT gegeben.

Synchrotron-Refraktions-Computertomografie — eine neue Methode zur Erkennung von Grenzflächen

Kurzfassung Röntgenstrahlung eignet sich besonders gut zur zerstörungsfreien Charakterisierung von Werkstoffen. Mit ihrer Hilfe lassen sich z.B. Risse und Poren in Werkstoffen erkennen. Die Risserkennbarkeit ist jedoch von der Rissgröße im Vergleich zum Auflösungsvermögen des Detektors abhängig. Risse, Poren oder Einschlüsse können in Radiogrammen nur dann erkannt werden, wenn sie größer sind als das Detektorelement, das die Röntgenstrahlen registriert. Das hier vorgestellte neuartige Synchrotron-Refraktions-Computertomografie-Verfahren ist jedoch in der Lage, auch Risse zu erkennen, deren Größe weit unterhalb des Auflösungsvermögens des Detektors liegt. Das Verfahren basiert auf dem bisher wenig genutzten Phänomen der Kleinwinkelstreuung durch Brechung von Röntgenstrahlen an den inneren Grenzflächen mikroskopisch strukturierter Objekte. Durch den Vergleich zwischen absorptionsbasierter und refraktionsbasierter Computertomografie-Untersuchungen mit Synchrotronstrahlung an einer geschädigten Faserverbundprobe wird das Potenzial der Synchrotron-Refraktions-Computertomografie demonstriert.

Vom Synchrotron ins Labor — Konversion von Einkristall- Techniken für Röntgenröhren

Kurzfassung In Synchrotronanwendungen wird die Beugung an Einkristallen als Standardmethode benutzt, um aus dem hochintensiven breitbandigen Spektrum gewünschte Photonenenergien zu selektieren. Je ein Experiment am Synchrotron und an einer Wolframröhre zeigt die Abbildung zahlreicher Reflexe eines Si-Einkristalls auf einen Flächendetektor. Im Fall paralleler Synchrotronstrahlung wird der Strahlquerschnitt für jeden Reflex verzerrt und monochromatisch abgebildet. Im Vergleich dazu wird die simultane örtliche und spektrale Aufspaltung einzelner Reflexe bei divergenter polychromatischer Primärstrahlung aus einer Röntgenröhre diskutiert. Potenziale für den Einsatz von Einkristallen in Laboranwendungen werden aufgezeigt.