Nikon XTH225工业CT帮助开发绿色能源解决方案

2017-11-25

来自丹麦技术大学（DTU）的研究人员利用一种高通量工业计算机断层扫描体系（CT）对能源材料（例如蓄电池和燃料电池等）进行无损检测研究。检测系统中能量高达225 kV的微聚焦光源能够穿透高密度的蓄电池、电解池和燃料电池等材料，这种技术将有助于科研人员寻找合适的材料，用来开发符合可持续发展战略的绿色能源解决方案。


目前，世界上正在使用的不可再生能源占据着全部使用能源的85%左右，然而，使用这些不可再生能源所带来的问题已经存在很长一段时间并且日益严重。这其中涉及的不仅仅是化石燃料的供应在未来将会逐渐枯竭甚至耗尽，更为重要的是，这些能源燃料的使用对于自然环境所带来的巨大损害。化石燃料燃烧会产生大量的二氧化碳等温室气体，导致全球变暖，这将对自然环境以及人类生存带来巨大危害，因此，我们迫切需要找到能够替代这些化石燃料的绿色能源。

考虑到化石燃料能源有限的存储量以及对于环境带来的不可逆危害，丹麦技术大学能源部门的主要研究目标就是在可持续能源系统中开发出能源转换和存储的技术。

原丹麦国家实验室的一部分——Risø实验室在燃料电池研究开发方面有超过20年的经验，在2012年与丹麦技术大学合并后，成为了丹麦技术大学能源部。这个专门成立的部门主要关注功能材料的教育、研究开发以及它们在可持续能源技术中的应用等方面。

考虑到符合可持续发展的绿色能源在未来的应用，以及一些新能源，例如太阳能和风能等可能存在的偶尔波动现象，有效地转换和存储这些能量将变得至关重要。该部门的研究人员致力于研究能够有效转换及存储这些能量的技术以及相关材料（例如燃料电池、热电池和太阳能电池等）。一个典型的例子就是可以将风能通过先转换为电能，再转换成可以存贮的诸如氢气或烃的燃料来最后进行存储。

认识CT扫描技术

CT扫描技术的工作原理可以简单概括为：从X射线源发射出来的X射线对在X射线源和检测器之间做平移运动的被检测物体进行扫描，在一次扫描结束后，被检测物体旋转一个角度再进行下一次扫描，如此反复操作，即可得到被检测物体的某一断面的若干组数据。这些信息数据经过计算机计算、处理，重新建立一个完整的断面图像显示在监视器上，而所有的断面就可以组成一个完整的三维立体图像。一般而言，一套CT体系硬件通常包括：一个高功率辐射源、机械扫描装置、X射线检测器，以及数据处理和图像重建、显示装置等。获得的图像可以使制件内的缺陷、重要迹象及某些内部特征可视化。

因此，采用这种技术可以很容易地进行材料的内部测量、定位材料的结构缺陷以及识别利用传统无损检测方法难以察觉的组装错误等。

工业CT扫描技术的优势

各种电池或电化学电池等能量转换和存储设备中的复杂三维结构一般难以根据二维图像来直接分析，对于大多数表征方法，通常需要先破坏或者切割材料来研究其内部特征。但是使用CT技术，人们则可以非破坏性地研究这些装置的三维结构。例如，人们可以观察到装置中的孔洞与其他部件的连通性等信息，这些信息很难单独从二维图像中获得。

丹麦技术大学的Nikon XTH225型检测系统

该系统包括专有的微焦点X射线源、高精度5轴可编程操纵器和快速采集和重建的配套软件。这种能量高达225 kV的微聚焦体系在可持续能源研发过程中被用于进行材料测试研究。系统所具有的优势包括：

（1）高能量/高通量的穿透高密度材料；

（2）搭配的ST体系能够承受质量高达50千克、直径大于300毫米的样品，可以满足扫描较重和较大的如太阳能电池、燃料电池和电解池等样品的需要；

（3）无损式的三维成像技术为人们呈现出一个比二维成像技术更加广阔的观察视角；

（4）16位的PerkinElmer 1620平板探测器可以获得高分辨率的图像；

（5）配备能够产生特定X射线光谱的多金属靶。除标准钨靶外，操作人员可以选择金属靶中的其他3种材料：银（Ag）、钼（Mo）和铜（Cu）。对于大多数材料的分析，通常最好是在较低能量下进行X射线发射，而这可以通过使用不同的靶材料来实现；

（6）配备电动FID（Focal spot to Imager Distance）模块，这意味着探测器可以移动到更靠近光源的位置。较短的FID意味着X射线通量将有所增加，并且随着较短的成像曝光时间，可以有效减少扫描时间。DTU利用这款ST模型的高通量特性实现了更快的原位扫描测量。

该系统可用于提供关于材料孔隙率、孔形状、连通性以及两种材料或颗粒尺寸之间的界面面积等有用的信息，还可以研究电池的内部三维结构以跟踪电池老化周期期间或老化之后可能发生的变化。



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