Optimierung eines REM-basierten hochauflösenden Röntgenmikroskops mittels Geant4-Simulation

In der heutigen Zeit werden immer komplexere Materialien und Bauteile entwickelt. Diese besitzen oft anwendungsspezifische Eigenschaften und komplexe Geometrien, sodass das Abbilden und Charakterisieren der Bauteile mit herkömmlichen, bewährten Methoden an ihre Grenzen stößt. Die Eigenschaften eines Materials sind nicht nur von der makroskopischen Struktur abhängig, sondern sind eng mit der Mikrostruktur ver-knüpft. Daher ist es notwendig Analysemethoden zu entwickeln, die über Größenordnungen hinweg die Mikrostruktur abbilden und eine Charakterisierung ermöglichen. Ein weiterer Aspekt, der immer mehr an Bedeutung gewinnt, ist die Überwachung eines Bauteils über seinen gesamten Lebenszyklus hinweg. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass eine Schädigung eines Bauteils bereits auf mikrostruktureller Ebene beginnt, bevor eine makroskopische Schädigung ersichtlich ist. Daher ist eine Überwachung mit zerstörungsfreien, hochauflösenden bildgebenden Verfahren notwendig. Zu den bildgebenden Verfahren zählen z.B. Ultraschall, Thermographie und die Röntgenbildgebung [4]. Diese beruhen auf der Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Materie. Im Vergleich zu anderen bildgebenden Verfahren ermöglicht die Röntgenbild-gebung die dreidimensionale zerstörungsfreie Abbildung der inneren Struktur. Daher findet dieses Verfahren sowohl Einsatz in der Medizin, als auch im Bereich der Technik und wird somit ständig weiterentwickelt. Mit diesem Verfahren lassen sich die Fehler in einem Bauteil (Poren, Lunker, Fasern etc. [5]) auf mikroskopischer Ebene auflösen. Ein Röntgenmikroskop, welches für das Abbilden kleinster Fehlstellen geeignet ist, ist das in dieser Arbeit verwendete XRM-II NanoCT. Dieses auf einem Rasterelektronenmikroskop (REM) basierte System verwendet als Röntgenquelle ein nadelförmiges Target mit einem Spitzenradius von <100 nm [1]. Die geringe Größe des Targets, verursacht eine Reduzierung des Wechselwirkungsvolumen, was die Ausbildung eines kleineren Röntgenbrennflecks zur Folge hat. Auf Grundlage des Prinzips der geometrischen Vergrößerung können somit Strukturen im Nanometerbereich abgebildet werden. Jedoch verursacht die Verkleinerung des Wechselwirkungsvolumens eine Reduzierung der emittierten Röntgenquanten, wodurch die Intensität sinkt. Somit erhöht sich die Belichtungszeit, um scharfe Bilder zu erhalten.
Das Ziel dieser Arbeit ist die Simulation des Set-Ups des XRM-II NanoCT‘s, um die spezielle Charakteristik besser zu verstehen. Anhand der Simulation werden Einflussfaktoren herausgearbeitet, deren Charakterisierung im realen Messaufbau sehr aufwendig ist. Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden Optimierungsmög-lichkeiten entwickelt, um die räumliche Auflösung zu verbessern sowie höhere Röntgenintensitäten zu erreichen und damit einhergehend auch kürzere Messzeiten.