Иерархически управляемая наноламинография in situ для визуализации зарождения повреждений в листах сплавов.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 1055 (2023) Цитировать эту статью

692 Доступа

Подробности о метриках

Для трехмерной (3D) наноразмерной рентгеновской визуализации разработано иерархическое руководство, позволяющее идентифицировать, уточнять и отслеживать области интереса (ROI) внутри образцов, значительно превышающих поле зрения. Это открывает новые возможности для исследований на месте. Экспериментально этот подход использует преимущества быстрых многомасштабных измерений, основанных на увеличенной проекционной микроскопии с возможностью непрерывного масштабирования. Немедленная и непрерывная обратная связь о последующем ходе эксперимента обеспечивается за счет соответствующей оперативной обработки данных. Для этого, путем теоретического обоснования и экспериментальной проверки, так называемое восстановление фазы квазичастиц обобщается на условия конического луча, что является ключом к достаточно быстрым вычислениям без значительной потери качества изображения и разрешения по сравнению с обычными подходами для голографической микроскопии. Используя 3D-ламинографию, особенно подходящую для визуализации областей интереса в латерально вытянутых пластинчатых образцах, потенциал иерархического руководства демонстрируется in situ исследованием зарождения повреждений внутри листов сплава в инженерно-значимых граничных условиях, обеспечивая новое понимание наномасштабных морфологических процессов. развитие пустот и скоплений частиц под действием механической нагрузки. В сочетании с цифровой объемной корреляцией мы изучаем кинематику деформации с беспрецедентным пространственным разрешением. Корреляция мезомасштабной (т.е. полей деформации) и наномасштабной (т.е. растрескивания частиц) эволюции открывает новые пути к пониманию зарождения повреждений в листовых материалах с размерами, важными для применения.

Современная рентгеновская микроскопия позволяет проводить неразрушающее трехмерное (3D) исследование образцов с наномасштабным разрешением1, и ее потенциал для изучения процессов in situ уже продемонстрирован2. Но часто возможности миниатюризации образцов ограничены, например, необходимостью сохранения граничных условий или опасностью локального распада при извлечении образца. Они также не могут справиться с соответствующим уменьшением поля зрения (FOV), связанным с увеличением пространственного разрешения, ставшим возможным благодаря прогрессу рентгеновской микроскопии. По этой причине подходы к локальной 3D-визуализации, такие как локальная компьютерная томография (КТ)1 или компьютерная ламинография (КЛ)3, играют все более важную роль для многих связанных с этим приложений. Однако для этих локальных методов идентификация и выбор возможных областей интереса (ROI) в гораздо более крупных выборках часто затруднены или полностью исключены из-за чрезмерного наложения функций в обнаруженных двумерных (2D) проекционных изображениях. Это еще больше усложняет исследования in situ, когда образцы могут претерпевать дополнительные морфологические изменения или смещения. Как следствие, необходимы новые стратегии и методы измерения для идентификации и постоянной корректировки отображаемого подобъема образца, содержащего интересующие особенности. В связи с этим серьезное осложнение возникает из-за формирования на записываемых изображениях картин дифракции Френеля, вызванного распространением фронта рентгеновской волны от образца к плоскости регистрации. Это, в частности, относится к проекционной микроскопии с увеличением, где собственный конический луч эффективно усиливает воздействие дифракции Френеля на обнаруженное изображение. Следовательно, в большинстве случаев прямая интерпретация измеренных необработанных данных, а также 3D-реконструкции, основанные непосредственно на необработанных данных, невозможны без предварительной обработки изображений с помощью подходящих алгоритмов фазового восстановления.

Здесь мы представляем так называемое иерархическое руководство для 3D-рентгеновской микроскопии, преодолевающее вышеуказанные ограничения 3D-нановизуализации, позволяя идентифицировать и уточнять изначально небольшие области интереса внутри значительно больших образцов. Точное отслеживание рентабельности инвестиций считается обязательным условием, особенно для экспериментов по визуализации in situ, направленных на достижение такого высокого пространственного разрешения. Короче говоря, как показано на рис. 1a, подход основан на сборе многомасштабных наборов данных, за которым непосредственно следует (в идеале даже одновременно) подходящая 2D-фазовая и 3D-объемная реконструкция на лету. Полученная немедленная иерархическая трехмерная картина текущего состояния образца обеспечивает прямую обратную связь для последующего сбора данных, в частности, для непрерывной корректировки динамически развивающихся областей интереса и их трехмерной визуализации с высоким разрешением.