Применение компьютерной томографии в области разработок экологически чистых источников энергии

Для исследования различных источников энергии, например, аккумуляторов или их отдельных ячеек неразрушающим методом Исследовательский центр Датского технического университета (DTU) использует систему компьютерной томографии производства фирмы Nikon.

Генерируемое микрофокусным источником высокой мощности рентгеновское излучение системы XT H 225 ST проникает сквозь плотные слои образцов аккумуляторов, электролитических ячеек и отдельных ячеек аккумуляторных батарей, что позволяет эффективно применять ее для исследования новых материалов в процессе разработки экологически чистых источников энергии.

О ресурсах

В настоящее время невозобновляемые энергетические ресурсы (нефть, газ, уголь) используются для генерации около 85% мировой энергии, однако уже давно известно об их пагубном воздействии на окружающую среду. И дело не только в истощении запасов углеводородов. Углекислый газ, получаемый за счет сжигания углеводорода , является причиной глобального потепления, поэтому необходимо найти альтернативный источник энергии, чтобы обеспечивать им планету. Принимая во внимание ограниченный запас и негативное воздействие на окружающую среду, которые возникают при использовании в энергетике невозобновляемых природных энергетических ресурсов, одной из приоритетных задач становится разработка технологий для максимально эффективного хранения энергии в экологически чистых аккумуляторных батареях и гальванических элементах.

Датская национальная лаборатория

В 2012 году Датская национальная лаборатория Riso с более чем 20-летним опытом работы в области разработки элементов аккумуляторных батарей вошла в состав Датского технологического университета и стала Центром по работе с источниками энергии (DTU Energy), который специализируется на подготовке, исследовании и разработке материалов для применения в экологически чистых источниках энергии. Специалисты Центра пришли к выводу, что такие альтернативные источники энергии, как солнце и ветер, будут иметь все большее значение в ближайшем будущем, поэтому сегодня жизненно важно получить возможность эффективно преобразовывать и сохранять эту энергию. В Центре ведутся работы над разработкой технологий и материалов для термоэлектрических и солнечных элементов, а также исследования в области последующего сохранения различных форм энергии в аккумуляторах и электролитических элементах. Примером может служить сохранение энергии ветра с последующим преобразованием электричества в топливо – водород или углеводород, –которые затем можно хранить.

Характеристики рентгеновской системы XT H225 ST, установленной в Датском
технологическом университете

Микрофокусная рентгеновская система модель XT H 225 ST с максимальным напряжением 225 кВ активно используется для исследования новых материалов в источниках энергии. Высокоинтенсивное рентгеновское излучение высокой проникающей способности позволяет сканировать плотные материалы. Манипулятор системы XT H 225 ST позволяет работать с образцами весом до 50 кг. 3D-визуализация позволяет получить полноценную и достоверную информацию, которая недоступна при 2D-сканировании.

Компьютерная томография – полноценная информация об объекте исследования.

На базе Центра DTU Energy оборудованы современные лаборатории с экспериментальными участками, оснащенными передовым оборудованием для реализации самых сложных исследовательских работ . Здесь активно применяется
электронная микроскопия (SEM, TEM), FIB-томография, TOF-SIMS (масс-спектроскопия вторичных ионов), XPS (рентгеновская фотоэмиссионная спектроскопия), нейтронография, сканирующая зондовая микроскопия и дифракционная томография. Но всего этого набора оборудования оказалось недостаточно. Для исследования новейших материалов появилась необходимость в компьютерной томографии. Сложные 3D-структуры аккумуляторов или других типов электрохимических элементов сложно проанализировать с помощью только лишь 2D-визуализации. При исследовании внутренней структуры образца большинство методов предполагает нарушение целостности материала. Преимуществом же компьютерной томографии является возможность анализировать трехмерные сканы объектов неразрушающим способом и получать информацию, невидимую при 2D-инспекции, например, о связности пустот или других элементах контролируемого образца. Решения компании Nikon в области компьютерной томографии позволяют получить полноценную информацию о состоянии внутренних поверхностей и структуре материалов, не нарушая при этом исследуемый образец.

Рентгеноскопическая система XT H 225 ST

Датскому техническому университету требовалось выполнить сканирование тяжелых и габаритных образцов, таких как солнечные и электролитические элементы. Для получения сканов высокого разрешения специалисты использовали 16-битный детектор PerkinElmer 1620. Рентген-источник XT H 225 ST оснащен полиметаллической мишенью, которая генерирует особый спектр рентгеновского излучения. Помимо стандартной вольфрамовой мишени для исследования отдельных материалов оператор может

выбирать мишени из других материалов (серебро, молибден или медь), с помощью которых можно достичь оптимального рентгеновского излучения малой мощности. Специалисты Исследовательского центра Датского технического университета использовали мультиметаллическая мишень ввиду потенциально частой необходимости исследования материалов различной плотности. Гибкость и широкий набор опций в системах фирмы Nikon позволяют использовать их в лабораториях контроля качества, исследовательских центрах и на производственных предприятиях.
Дополнительно система XT H 225 ST использовалась для получения информации о наличии пустот, их форме и связанности, о площади контакта между двумя материалами и размерах частиц. Другой пример – это исследование внутренней 3D-структуры аккумуляторов для отслеживания возможных изменений во время или после окончания их срока службы. Моторизированная система FID – изменение расстояния между детектором и рентген трубкой: позволяет сократить время сканирования образцов. 25-летний опыт работы в области компьютерной томографии позволил специалистам Nikon Metrology разработать систему с микрофокусными рентгеноскопическими
источниками, высокоточным 5-осевым полностью программируемым манипулятором и передовым программным обеспечением для быстрого захвата и воспроизведения изображения контролируемого образца. Модель XT H 225 ST оснащена моторизированной системой FID (Focal spot to Imager Distance), позволяющей перемещать детектор ближе к рентген-источнику . С уменьшением этого расстояния, повышается мощность рентгеновского излучения и уменьшается экспозиция снимка, что приводит к уменьшению времени сканирования.Специалисты Центра DTU использовали систему модели ST с высокой мощностью излучения для более быстрого сканирования в рамках in-situ измерений.

Рассказывает исследователь Центра DTU Сорен Бредмоуз Симонсен (Søren Bredmose Simonsen):

«Решающим критерием при выборе системы фирмы Nikon был микрофокусный источник высокой мощности (225 кВ), который позволяет сканировать крупногабаритные образцы, например, аккумуляторы, солнечные и электролитические элементы. Именно наличие высокого напряжения в 225 кВ и минимальный размер фокального пятна, составляющий 3 мкм, в микрофокусном источнике рентгеноскопической системы Nikon XT H 225 ST позволяют с ее помощью эффективно работать с образцами различных габаритов и плотности».

Система XT H 225 ST входит в состав оборудования нового Центра 3D-визуализации Датского технологического университета, который в настоящее время поддерживает исследовательскую работу факультетов прикладной математики, информатики, физики и
машиностроения. Центр 3D-визуализации специализируется на реализации как научных исследований, так и чисто практических производственных задач и решений, таких как CINEMA (Визуализация и моделирование в области решений по разработке источников энергии) и LINX (Нейтронная и рентгеноскопия для Промышленных решений).

Принцип работы метода компьютерной томографии

Для построения 3D-сканов компьютерной томографии система XT H 225 ST выполняет серию последовательных 2D-рентген снимков вращающегося на 360° образца, после чего на основе полученных изображений создается объемная 3D-модель объекта. Помимо наружных поверхностей воссозданная модель контролируемого образца отображает полную информацию о его внутренней поверхности и структуре, в том числе и о структуре материала. Исследование можно проводить в любой точке скана компьютерной томографии и в любой плоскости. В результате можно легко выполнять даже внутренние измерения , при этом важным преимуществом является возможность точной локализации структурных дефектов материала и распознавания ошибок сборки, что не позволяют сделать традиционные методы неразрушающего контроля.

 

Центр технологий неразрушающего контроля

ЦТНК ООО «Совтест АТЕ» предлагает оперативный и доступный сервис в области неразрушающего контроля. Основным видом контроля, применяемым в нашем Центре, является компьютерная томография (КТ) – незаменимый инструмент при разработке новых материалов и изделий, а также в аддитивном производстве . ЦТНК оказывает услуги по контролю и измерениям, контрактному тестированию, обратному проектированию, осуществляет разовый сервис и аутсорсинг. Узнать подробнее о возможностях систем рентгеноскопии и компьютерной томографии Nikon Вы можете у специалистов «Совтест АТЕ», направив официальный запрос на сайте компании.

Share