X-ray imaging by partially coherent synchrotron light: Application to metallic alloys, tooth dentin and natural rock

Das harte Spektrum der BAMline am Berliner Synchrotron BESSY bietet die seltene Möglichkeit, Experimente mit hochauflösender Röntgenbildgebung und teil-kohärenter Strahlung zu machen. Diese Promotionsarbeit umfasst die Entwicklung eines neuen Tomographieaufbaus und dessen Anwendung auf drei spezifische Probleme der Materialwissenschaften aus den Gebieten der Werkstoffkunde, Biologie und Geologie. Die Mikrostruktur von Metalllegierungen nimmt eine Vielzahl geometrischer Formen an (runde Körper, Lamellen, Dendriten, etc.). Die Grenzschicht zwischen den einzelnen Phasen beschreibt diese Geometrie und sie verändert sich unter bestimmten Einflüssen, z. B. wenn eine Legierung in halbfestem Zustand verarbeitet wird. Dieser Zustand wird mit einem fest-flüssig Gemisch beschrieben welches bei teilweisem Schmelzen der Legierung entsteht. Sowohl statische Partikelreifung als auch äußere Scherkräfte führen zu einer Veränderung des Gefüges. Statische Röntgenbilder und Filmsequenzen wurden in 2D und 3D von einer Reihe von Aluminiumlegierungen gemacht. Anders als Oberflächenmessungen erlaubt Radiographie und besonders Tomographie eine statistische Analyse der 3D Gefügeparameter, z.B. Partikel-Größe, -Form, -Lage, -Koordinationszahl und Kontiguität. Reifungsgesetze für Agglomerate (bei hohem Festphasenanteil) und rheologische Eigenschaften wurden somit erforscht. Zahnbein ist das Grundmaterial unserer Zähne. Es liegt unter einer harten Schutzkappe aus Zahnschmelz. Zahnbein wird von Mikrometer-großen quasi-parallelen Kanälen durchzogen, denen im Allgemeinen eine mechanische Funktion zuschrieben wird. Trotz zahlreichen 2D Messungen und darauf aufbauenden Strukturmodellen, ist diese Funktionalität so unklar wie denn je. 3D Messungen sollen helfen diese Lücke zu schließen. Tomographie mit Hilfe von Fresnel-Beugung ist hervorragend geeignet, um die räumliche Anordnung der Kanäle zu verstehen. Mit dieser Arbeit wurde eine spezielle Technik entwickelt, mit der hochauflösende 3D Bilder von nassem Zahnbein aufgenommen werden können. Richtung, Verlauf und Biegung von einzelnen Kanälen können somit bestimmt werden. Simulationen der optischen Beugung an einem einzelnen Kanal zeigen ferner, dass die Beugungsbilder zusätzliche Informationen über die Dicke jener dichten Mineralschicht liefert, die die hohlen Kanäle umschließt (die Dicke kann aus dem Kontrast der Interferenzstreifen extrapoliert werden). Das Bruchverhalten von Steinen zu verstehen ist eine der grundlegendsten Aufgaben der Geologie. Trotz der sehr inhomogenen Mirkostruktur von Steinen entstehen Brüche nicht in willkürlichen Mustern sonder folgen einer bekannten „treppenförmigen“ Ausbreitung, welches ihren Ursprung in den Wechselwirkungen zwischen Zug- und Scherrissen hat. Mit Hilfe von Absorption- und Fresnel-Beugungs-Tomographie wurden Bilder von verschiedenen Gesteinen, vor und nach mechanischer Belastung erstellt. Zuerst wurden Grauwacke und Kalkstein als Vertreter von Sedimentgestein unterschiedlicher Korngrößen untersucht. Dann wurden Basalt und Granit verwendet, um unterschiedliche Gesteinstypen zu testen. In allen Steinen konnte Rissausbreitung beobachtet werden, die bei gesteigerter Belastung zum Bruch führte. Die Daten wurden mit einem bekannten mechanischen Modell verglichen, wobei Mikrosprünge das Entstehen von größeren Spalten begünstigen. Fresnel-Beugung erlaubte es zusätzlich, die Porosität und evtl. Erzminerale an den Korngrenzen besser zu erkennen. In Grauwacke wurde so eine Vorzugsrichtung für neu entstehende Risse gefunden.

Author dc:creator

• Zabler, Simon

Advisor dc:contributor.advisor

• Banhart, John

Licence dc:rights.uri

• http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/

Language dc:language.iso

en, English

Identifier URI

urn:nbn:de:kobv:83-opus-17423
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1764

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/2061