Ist die Unschärfe eines Minifokussystems nicht die eigentliche Grenze dessen, was man mit ihr erreichen kann, insbesondere bei 450 kV?

"Wir werden sehen, was wir sehen werden." (W. Röntgen 1896)

Im Frühjahr 2021 kam die lang erwartete 450 kV MesoFocus Röhre zu Yxlon, und die Unschärfe, oder sagen wir der Nebel, verschwand aus den Bildern. Ein Computertomografiesystem (CT) mit dem zuverlässigen 450 kV MesoFocus ermöglicht nun eine Auflösung von bis zu 35 µm mit einer Detailgenauigkeit, die bisher nur von Mikrofokussystemen bekannt war, mit üblicherweise viel weniger Energie.

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

MesoFocus

"Meso", die griechische Vorsilbe für "Mitte", bezeichnet in der Röntgentechnik Strahlenquellen mit Brennfleckgrößen, die zwischen Mini- und Mikrofokus liegen. Mit Brennfleckgrößen von bis zu 50 µm ermöglichen die MesoFocus Quellen Anwendungen, für die bisher nur Mikrofokusröhren eingesetzt werden konnten.

Die MesoFocus Technologie von Comet X-Ray erregte im Jahr 2021 große Aufmerksamkeit. Die 225kV-Variante unterstützt sehr zuverlässig eine Vielzahl von Anwendungen mit Anforderungen an hohe Auflösung und hohe Stabilität sowie wartungsfreie Atline- und Inline-NDT.

Die MesoFocus Röntgenröhre kombiniert:

• Hohe Auflösung auf den Punkt genau
• Einfache Bedienung, "Ein/Aus"-Parameter einstellen, und sonst nichts
• Schnelle Betriebsbereitschaft
• Äußerst hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit
• Minimale Wartung

Ist es bei 225 kV schon vorbei?

Bei Objekten aus Schwermetallen oder höherer Materialdichte ist es notwendig, in eine höhere kV-Klasse (320, 450 oder 600 kV) zu wechseln. Bei geschlossenen Röhren gibt es derzeit keine Lösung mit hoher Auflösung, die gleichzeitig zuverlässig, einfach und mit geringem Wartungsaufwand ist. [1]

Viele Branchen wie die Luft- und Raumfahrt und die additive Fertigung, vom Labor bis zur Produktion, fordern seit Jahren eine hochauflösende und robuste 450kV-Lösung für DR- und CT-Anwendungen.  Neben hoher Auflösung und Detailerkennbarkeit gibt es immer wieder weitere Anforderungen wie schnelle Bereitschaft, hohe Spannungsstabilität, Wartungsfreiheit, einfache Bedienung und Einsatz ohne spezielles Röhren-Know-how.

Mit dem 450 kV MesoFocus ist die Lösung nicht nur am Horizont oder in greifbarer Nähe sichtbar, sondern in unserem Labor bereits im Einsatz. Wie bei der 225 kV MesoFocus war Yxlon auch bei der neuen 450kV-Röhre die erste Adresse, um die Röntgenquelle in DR und CT im Detail zu evaluieren und mit anderen Lösungen zu vergleichen. Anders als die 225er bietet die 450 kV MesoFocus vorerst 5 statt 3 Brennflecke (mit 1W/µm): 450, 350, 250, 100, und 60 µm (bzw. Watt).

Erstes Beispiel

A 450 kV HP11 mini-focus X-ray source has a focal spot of about 400 µm. Large detectors in the range of 150 µm pixel size, which offer a good compromise between resolution, efficiency, and data volume, allow a spatial resolution of about 100 - 120 µm or 4.5 - 5 lp/mm. To get this resolution in the CT system, a magnification of about 2 is chosen. Smaller objects made of or surrounded by heavy metals are thus only imaged with a little amount of detail.

Instead of choosing a special application, we want to go first with an easily recognizable object with fine structures to show how the resolution will change from today to tomorrow, even at 450 kV.

Schweizer Feinmechanik mit blockierter Sicht

Um der technologischen Innovation der Schweiz gerecht zu werden, haben wir im ersten Beispiel eine feinmechanische Schweizer Armbanduhr gewählt. Das Gehäuse und das Armband aus 14 K (585) Gold machen die CT viel anspruchsvoller, sodass 450 kV eine gute Wahl für die Multimaterial-CT sind.

Abb. 1: Foto einer Armbanduhr, gescannt mit hoher Auflösung

So wie es heute ist, sind bei der Wahl des kleinen Brennflecks einer 450-HP11 nur noch Teile der groben Armbanduhrmechanik zu erkennen. Aufgrund fehlender Details ist es schwierig bis unmöglich, die mechanischen Funktionen, Wechselwirkungen oder den Zusammenhang zwischen einzelnen Elementen zu erkennen.

Abb. 2: Rückseitig geöffnete Armbanduhr

Wenn man die Uhr öffnet, ist es kein Problem, die Mechanik der Armbanduhr in viel höherer Auflösung zu sehen, als es mit der Minifokus-CT von Abb. 3 möglich ist. Das Gehäuse und die Mechanik der Uhr sind ein Mix aus verschiedenen Materialien.

Die Armbanduhr ist ein perfektes Beispiel dafür, dass ein CT-Scan mit einer Minifokusröhre nicht die Auflösung erreicht, die wir mit unseren eigenen Augen gewohnt sind. So ist die Blattfeder fast nur als Ring zu erkennen, und hier und auf anderen Ebenen gehen Zahnräder ineinander über (Abb. 3 - links).

Das ändert sich nun im 450kV-Bereich. Mit einem Brennfleck von 60 µm ist es nicht mehr abwegig, solche Mechaniken oder kleine Goldlötporositäten mit einer geschlossenen Röhre zu scannen (Abb. 4 - rechts).

In diesem Beispiel hat sich die Unschärfe deutlich reduziert, sodass die Materialoberflächen scharf und deutlich zu erkennen sind. Die Gewinde von winzigen Schrauben sind ebenso deutlich zu erkennen wie die Blattfeder, um nur einige Details zu beschreiben. Die höhere Schärfe in der CT verringert auch die Wahrscheinlichkeit, dass Details als störende Geisterbilder in andere Schichten rekonstruiert werden.

[1] Bei höheren kV-Klassen wie 450 kV könnte der Detektor eine bessere Auflösung im 2D-Bereich liefern. Hier konnten Anforderungen von besser als 100 µm (D10 Duplexdraht IQI) erfüllt werden.

Im nächsten Blog werden wir im gleichen Scan Porositäten in einer Gold-Lötstelle untersuchen und beobachten, wie sich die Detailerkennbarkeit mit der Wahl des Brennflecks verändert.

Später in dieser Serie werden wir ein Beispiel aus der additiven Fertigung mit einem 100 mm dicken, scheibenförmigen Kupferobjekt und die Analysemöglichkeit der internen Oberflächenrauheit zeigen.