Fanbeam collimator – NuclearFields
Elektromagnetische Strahlung
The electromagnetic spectrum
Elektromagnetische (EM) Welle
Die Energie einer EM-Welle kann durch ihre Wellenlänge quantifiziert werden, die in Nanometern (nm) ausgedrückt wird. Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Energie der Welle.
Typischerweise liegt die Strahlung sichtbaren Lichts zwischen 400 nm und 800 nm, darunter fallen UV-Licht, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. Diese beiden letzten Arten von Strahlung werden wir uns heute genauer ansehen. Sie können mehr über EM-Strahlung in diesem ausführlichen Artikel von Radio2space erfahren.
Bei der additiven Fertigung von Metallen, einschließlich der additiven Fertigung von Wolfram, wird eine Infrarot-(IR)-Laserquelle verwendet, um das metallische Pulver zu schmelzen und die Schichten miteinander zu verbinden, wie wir später erklären werden.
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Kollimatoren in der Industrie
Wie bereits erwähnt, werden Kollimatoren verwendet, um eine Strahlung oder Welle auszurichten und zu filtern. Ihr Arbeitsprinzip wird in der Abbildung unten dargestellt.
Wenn eine diffuse Quelle elektromagnetischer Strahlung ausgerichtet und/oder verengt werden muss, um zum Beispiel ein Bild auf einem Detektor zu erzeugen, ist ein Kollimator eine einfache und effiziente Lösung. Wie bereits im vorherigen Absatz erläutert, gilt: Je niedriger die Wellenlänge, desto höher die Energie. Dies bedeutet, dass X- und Gammastrahlen die energetischsten elektromagnetischen Wellen sind.
Dies führt zu verschiedenen Problemen wie septaler Penetration, die auftritt, wenn ein gegebener Hochenergie-Strahl einen Septum des Kollimators kreuzt. Dies verursacht ein fehlplatziertes Signal auf dem Detektor.
Um dieses Problem zu vermeiden, müssen Materialien mit hohen Atomzahlen und hoher Dichte verwendet werden, und Wolfram ist ein hervorragender potenzieller Kandidat.
Da Wolfram jedoch ein sehr hartes Material ist, ist es schwierig, es mit herkömmlichen Bearbeitungstechniken herzustellen.
Wolfram hat auch eine der höchsten Schmelztemperaturen aller Materialien, sodass ein Wolframteil beispielsweise nicht durch Gießen hergestellt werden kann. Üblicherweise werden Wolframkollimatoren aus Wolframblättern hergestellt, was den Prozess schwierig macht.
All diese Herausforderungen machen die additive Fertigung von Wolfram zu einer hervorragenden Wahl für die Herstellung von Kollimatoren.
An X-ray collimator schematic work – Beamler
EM-Strahlung in der Industrie
Viele Branchen haben eine wichtige Anwendung in der Nutzung von EM-Strahlung gefunden, insbesondere von Röntgen- und Gammastrahlung. Angefangen bei der Kernphysik und der Medizin.
Röntgenstrahlen werden in der Computertomographie (CT) verwendet, um eine 3D-Scan des Körpers eines Patienten zu erhalten, aber auch in der Wissenschaft, um einen 3D-Scan kleiner Teile zu erhalten. Das Bild unten veranschaulicht die Computertomographie für die Medizin.
In der Materialwissenschaft nutzen Energie-Dispersive-Röntgenstrahlungs- (EDX) Detektoren auch Kollimatoren, um die von einer Probe in einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) emittierten Röntgenstrahlen zu orientieren. Gammastrahlen hingegen sind energiereicher, finden aber immer noch eine wichtige Anwendung in der Bildgebung von lebendem Gewebe. Gammastrahlen sind in Energieklassen eingeteilt und niedrigere Energie-Rays können leicht von einem Detektor gestoppt werden, um ein Bild zu formen, aber sie dringen dennoch in Gewebe ein, wie in diesem ScienceDirect-Thema erklärt
CT scan allows to make cross section images of a patient’s body – Lompoc Valley Medical Center
Additive Fertigung von Kollimatoren aus Wolfram
Die additive Fertigung von Wolfram wird mithilfe der Selective Laser Melting (SLM)-Technologie erreicht. Ein Infrarotlaser wird verwendet, um das metallische Pulver zu schmelzen und die Schichten zusammenzufügen.
Ein Artikel von Sidambe et al. wurde veröffentlicht, um die Machbarkeit der additiven Fertigung von Wolfram für Kollimatoranwendungen zu demonstrieren. Ein Pinhole-Kollimator wurde mit einem 1070-nm-IR-Laser und einer Energie von 348 J/mm3 gedruckt.
Die Wellenlänge des IR-Lasers kann an das gedruckte Material angepasst werden, wie in diesem Artikel zur additiven Fertigung von Kupfer erklärt wird.
Das Bild unten zeigt das endgültige 3D-gedruckte Wolframteil mit SEM-Bildern der Oberflächenmikrostruktur.
Die resultierende Mikrostruktur ohne jegliche Nachbehandlung ist auf den SEM-Bildern in der obigen Abbildung sichtbar. Dank maßgeschneiderter Aufbauparameter wie Laserenergiedichte kann eine hohe relative Dichte der endgültig gedruckten Wolframteile erreicht werden, bis zu 98% der Dichte von reinem Wolfram (19,2 g.cm-3).
Pinhole tungsten collimator – Sidambe et al. – IJRMHM
