Физики придумали рентгеноскоп «три в одном»

Британские и немецкие физики реализовали многоканальную динамическую рентгеновскую визуализацию, которая одновременно позволяет фиксировать затухание, фазовый контраст и темнопольное рассеяние излучения. Они опробовали новую технику на лазерном плавлении алюминиевого порошка и показали, что комбинация методов позволяет извлечь дополнительную информацию об этом процессе. Исследование опубликовано в Physical Review Letters, кратко о нем пишет Physics.

Технологии, основанные на послойной лазерной печати, открывают новые возможности для создания трехмерных металлических структур с недостижимой ранее точностью и сложностью. Для контроля процесса спекания внутри образца инженерам требуется динамическая рентгеновская визуализация локальных физических процессов. В последние годы этого удалось добиться благодаря появлению синхротронных установок третьего поколения, позволяющих обеспечить высокую частоту кадров при визуализации.

Исследования по динамической рентгеновской визуализации обычно ограничены либо ослаблением, либо линейным фазовым контрастом. Вместе с тем существует еще третий метод — визуализация в темном поле, который позволяет выделять структуры, чьи размеры ниже, чем разрешающая способность системы. Каждый из этих методов рентгеноскопии обладает своим набором преимуществ, поэтому желательно иметь возможность получать все типы изображений одновременно.

Лоренцо Массими (Lorenzo Massimi) из Университетского колледжа Лондона вместе с коллегами из Великобритании и Германии представили первое применение многоканальной рентгеновской динамической визуализации для исследования процессов плавления металлического порошка с помощью лазера. Они показали, что комбинация трех различных методов с помощью одной установки открывает дополнительные возможности для понимания того, как в этом случае образуются металлические капли.

Идея метода заключается в просвечивании образца через движущуюся параллельно ему маску, пропускающую излучение в виде полос. Образующийся набор лучей подвергается локальным динамическим ослаблениям, отклонениям и уширениям, которые регистрируются детекторами. Обрабатывая с помощью алгоритмов интенсивность, положение и ширину каждого луча, физики восстанавливали локальные затухание, фазовый контраст и темнопольное рассеяние, по которым строили изображения.

Авторы проводили эксперимент на рабочей линии I13 ускорительного комплекса Diamond light source в Великобритании. Спектр излучения лежал в диапазоне от 15 до 40 килоэлектронвольт с максимум в районе 21 килоэлектронвольта. Физики направляли рентгеновское излучение на слой алюминиевого порошка толщиной 800 микрон, который подвергался лазерному плавлению. Непосредственно перед образцом они располагали маску с периодом 20 микрон и шириной полос 5 микрон, которая перемещалась со скоростью 0,9 миллиметра в секунду. Для обработки изображений авторы группировали лучи по пять штук и аппроксимировали пятью гауссовыми контурами. Разница между контурами после взаимодействия с образцом и контурами без него давала информацию о всех трех каналах визуализации.

В результате физики засняли на видео процесс образования капель расплавленного алюминия во всех режимах. Разные изображения обладали различным соотношениям сигнал/шум в зависимости от структуры вещества. Так, порошковые участки лучше были видны в режиме темного поля, в то время как жидкие участки давали высокий фазовый контраст. Применяя кросс-корреляционный алгоритм для отслеживания перемещения отдельных участков образца, физики смогли восстановить динамическую карту скоростей и понять, как и в какой последовательности формировались капли.

Авторы отмечают, однако, что построенные карты — это в большинстве случаев двумерные радиографические проекции скоростей. Для построения истинного скоростного распределения необходимо проводить трехмерную рентгеновскую томографию, что пока не совместно с предложенным методом. Тем не менее, многоканальный подход позволяет получить некоторую информацию о трехмерной структуре. В частности, авторы смогли сделать вывод о размере капли в направлении, перпендикулярном изображению, анализируя вклад в соответствующую область темнопольного изображения, исходящий от порошка спереди и сзади капли.

Физики активно изучают лазерное плавление самых разнообразных сред. Мы уже рассказывали, что происходит при плавлении плазменно-пылевого и коллоидного кристаллов.

Марат Хамадеев