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新的X射线断层扫描技术打破世界纪录

2021-11-19 11:25     来源:physics world     X射线断层扫描 X射线

团队成员 Christian Schlepütz 在瑞士光源的 TOMCAT 光束线上。(提供:保罗谢勒研究所/Mahir Dzambegovic)

柏林亥姆霍兹材料与能源中心(HZB)的研究人员开发了一种新的X射线断层成像技术,能够每秒获得破纪录的1000张断层照片。这种显微镜可用于以高空间分辨率监测材料的极快过程。

计算机断层扫描(CT)是一种流行的医学成像工具,在这种工具中,身体的一部分从四面八方被X光照射,产生内部结构的三维图像。该技术也是对材料进行非破坏性分析的理想手段。在这里,强烈的同步辐射被用来获得微米级空间分辨率的三维图像,并监测样品的快速过程和变化。

2019 年,由 HZB 的弗朗西斯科·加西亚·莫雷诺( Francisco Garcia Moreno)领导的一组研究人员使用他们的技术成功记录了每秒 200 张断层扫描图像,他们随后将这种技术称为断层检查——类似于放射检查。实际上,每秒的断层扫描数量 (tps) 相当于用于描述 2D X 射线图像序列的每秒帧数 (fps)。

高空间和时间分辨率

在这项最新工作中,加西亚-莫雷诺及其同事利用了瑞士保罗-舍勒研究所瑞士光源的TOMCAT光束线X02DA。研究人员将他们的样品放置在他们实验室开发的一个高速旋转台上。转台的角速度可以达到500赫兹,可以与用于对每个样品进行成像的高速CMOS相机的采集速度完全同步。他们通过将样品插入旋转台中的一个空心圆柱形氮化硼坩埚,并使用两个150瓦的红外激光器对其进行加热来获得图像。

该技术在100 tps时的空间分辨率仅为7.6微米,在1000 tps时为8.2微米,可以在一毫秒内拍摄40个样品的二维投影。然后将这些投影相互叠加,以创建一个样品的断层图。

为了测试他们的技术,Garcia Moreno 及其同事记录了当烟火燃烧时(使用红外激光点火后)发生的极其快速的变化。这种放热燃烧过程在技术上很重要,它会释放大量的热量和燃烧波前,其移动速度高达 1-100 毫米/秒。该波前难以使用传统技术成像。

超快光子探测器实现免重建医学成像

研究人员还对铝-锗和铝-铋铸造合金凝固时形成的枝晶,以及液态铝-硅-铜泡沫中气泡的生长和聚结进行了成像。这种聚结是这种泡沫中不需要但却常见的过程,这是一种有趣的轻质材料,未来的电动汽车可能会用它来制造。

以前的放射线检查和断层检查实验表明,薄膜破裂时间小于 1 毫秒,聚结时间(形成新气泡的时间)为 0.5-1.2 毫秒。研究人员说,现在可以通过新的断层扫描技术的时间分辨率来获得这样的时间尺度,并且可以深入了解这些气泡的形态、大小和交联——这是制造机械强度和刚性组件的重要因素。

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