Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Automation: Ausgabe 08/2016, 19.08.2016

Automatisierungsschritt für Gitter-Interferometrie

In der Materialanalyse werden seit Jahren als bildgebende, zerstörungsfreie Prüfverfahren Phasenkontrastmessungen mittels Gitterinterferometrie mit Röntgenstrahlung durchgeführt. Das Justieren der Anlage ist zeitaufwändig und braucht Expertenwissen. Stefan Hartmann vom Zentrum für Röntgenanalytik der Empa hat in einer Masterarbeit im MAS Automation Management eine Methode zur automatischen Gitterausrichtung entwickelt.

Autor: Stefan Hartmann Empa, Dübendorf

Phasenkontrastmessungen werden mittels Talbot-Lau-Röntgen-Interferometrie durchgeführt. Während bei der klassischen Röntgenanalyse die Reduktion der Intensität der Röntgenstrahlung durch die Probe abgebildet wird (Röntgenbild), analysiert man bei Phasenkontrastmessungen die unterschiedliche Verschiebung der Phase der Röntgenstrahlung. Um die Phasenverschiebung zu bestimmen, benutzt man den Talbot-Effekt. Dabei können bereits geringe Fehler in der Ausrichtung zwischen Phase-Shift- und Analyser-Gitter zu massgebenden Verlusten der Visibilität führen.

Diese Verluste äussern sich in Form von Moiré-Mustern. Die Ursachen der Moiré-Muster wurden analysiert und geeigneten Analyse-Kriterien gegenübergestellt. Die Moiré-Muster können auf diese Weise verwendet werden, um die Orientierung von binären, planen 1D-Gittern gegeneinander auszurichten, die optimale Gitterdistanz zu ermitteln und so die Visibilität zu maximieren.

In Abbildung 1 ist das Prinzip eines Talbot-Lau-Interferometers dargestellt. Harte, polychromatische Röntgenstrahlung wird durch ein Gitter G0 in polychromatische, lateral kohärente Strahlung umgewandelt. Hinter dem Gitter G1 entsteht ein Interferenzmuster, wie in der Abbildung dargestellt.

Da die Interferenzmuster für die Grösse der Detektorpixel zu fein sind, werden sie durch das Gitter G2 abgetastet. Das Gitter G2 muss dazu dieselbe Periode aufweisen wie das Interferenzmuster. Durch den Vergrösserungseffekt kann dies mittels der Distanz zwischen G1 und G2 eingestellt werden. Zudem müssen die Gitter exakt aufeinander ausgerichtet sein. Die Strahlung nach Gitter G2 wird durch einen Detektor aufgenommen. Wird nun die Phase der Strahlung durch eine Probe vor G1 verschoben, verändert sich das Interferenzmuster und damit die Intensitäten auf dem Detektor. Ungenau ausgerichtete Gitter ergeben dort unterschiedliche Moiré-Muster, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Die Ausrichtung der Gitter soll automatisiert werden, um eine zuverlässige, reproduzierbare Aus­gangslage für Phasenkontrastmessungen zu erreichen und die Vorbereitungszeit zu minimieren. Zudem sollen so auch Operatoren ohne Erfahrung im Ausrichten der Gitter eigenständig Messungen durchführen können.

Mittels Literaturrecherchen wurde ein realistisches Simulationsmodell für die Erzeugung der Moiré-Muster erstellt und anhand von Messungen validiert. Mit dem Modell konnten die wesentlichen Erkenntnisse gewonnen werden, wie die verschiedenen Muster aufgrund von Winkelfehlern zwischen den Gittern G1 und G2 entstehen.

Es entstand eine Tabelle mit Wirkungszusammenhängen, die zeigt, wie die wesentlichen Parameter des Systems optimiert werden konnten. Hilfreich war, dass dabei auf die Erfahrung von geübten Fachleuten zurückgegriffen werden konnte. Viele neue gute Ideen waren aber nötig, um mittels digitaler Bildverarbeitung die gewünschten Merkmale der Moiré-Muster automatisch bestimmen zu können.

Da die zur Validierung vorgesehene Messanlage aufgrund von Inbetriebnahmeproblemen nicht termingerecht verwendet werden konnte, musste auf das Simulationsmodell zurückgegriffen werden. Mittels einer speziell erstellten LabView-Applikation konnte der ganze Justierungsablauf basierend auf einer Bildauswertung der simulierten Moiré-Muster getestet werden. Mit Hilfe der «Multiscale Peak Detection» aus der Wavelet-Toolbox wurden dann aus künstlich verrauschten Bildern die Frequenzen in Funktion des Ortes bestimmt.

Die in der Simulation verifizierte Automatisierung der Gitterausrichtung wird als Nächstes an der realen Anlage ausgetestet werden. Die Resultate wurden an einer Fachkonferenz vorgetragen.

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Abbildung 1: Prinzipschema eines Talbot-Interferometers.


Abbildung 2: Einfache Beispiele von Moiré-Mustern durch ungenaue Ausrichtung der Gitter. Von links nach rechts: Winkelbezeichnungen, Gitterorientierung, Durchsicht in Strahlrichtung, reale Messdaten. (Grafiken: Hartmann)

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