Röntgenbuizen bestaan al lang. Maar afhankelijk van de toepassing kan het ontwerp en de effectiviteit ervan nog steeds worden verbeterd. Probleem is echter dat er veel parameters zijn die de werking van een röntgenbuis beïnvloeden en dat het doorrekenen van een nieuw ontwerp veel tijd vraagt. Dat moet sneller en slimmer kunnen, vond producent PANalytical. CQM ontwikkelde een nieuw én efficiënt ontwerpmodel.
Wat doet PANalytical?
PANalytical, het vroegere Philips Analytical, is wereldwijd toonaangevend leverancier van analytische röntgenanalyseapparatuur voor industriële toepassingen en wetenschappelijk onderzoek. PANalytical is de enige leverancier die de röntgenbuizen ook zelf ontwikkelt en produceert. Sinds 2002 is PANalytical onderdeel van het Britse technologieconcern Spectris.
Noot: Op 1 januari 2017 heeft PANalytical haar activiteiten gefuseerd met Malvern Instruments, een in het Verenigd Koninkrijk gevestigde leverancier van materialen en biofysische karakteriseringstechnologie en ook een werkmaatschappij binnen het Materials Analysis-segment van Spectris.
Voor een nieuw apparaat wilde het bedrijf een bestaande buis verbeteren. Voorheen werd een buis ontworpen aan de hand van klanteneisen. Resultaat hiervan was een verbeterd ontwerp, maar niet noodzakelijk het best passende ontwerp. PANalytical zocht contact met CQM om het ontwerpproces te verbeteren.
Elektronen, parameters en factoren
Hoewel het in een röntgenbuis uiteraard om röntgenstraling gaat, is het elektrisch veld in de buis bepalend voor de kwaliteit van de buis en de precisie van de analyse. Dat hoogspanningsveld ontstaat door een spanningsverschil tussen kathode en anode. Daardoor komen er elektronen vrij uit de kathode die bij inslag op de anode röntgenstraling opwekken. De dimensies van de buis en de plaatsing van de diverse onderdelen in de buis, voor onder meer koeling, beïnvloeden het elektrisch veld. Bij het optimaliseren van de buis zijn er dus veel factoren om rekening mee te houden. Iedere verandering in één van de parameters kan de totale werking van de buis verslechteren of verbeteren.
Keuzes
“We begonnen met het bestuderen van kandidaatontwerpen en het beschrijven van die ontwerpen aan de hand van elf parameters”, zegt Peter Stehouwer van CQM. “Die parameters betroffen de positie en afmetingen van de componenten in de röntgenbuis. PANalytical beschikte al over een simulatietool om de gevolgen van de parameterwijzigingen te kunnen doorrekenen. Zo’n simulatie kost echter wel één à twee uur per analyse. Samen met het team van PANalytical brachten we de ontwerpruimte verder in kaart. Wat mag variëren en hoeveel? Wat is de samenhang tussen de parameters en wat zijn de beperkingen? Ook maakten we keuzes over beoordeling van de uitkomst van de simulatie. Die uitkomst is onder meer het elektrisch veld, dat in een plaatje werd afgebeeld. Omdat een plaatje echter moeilijker te interpreteren is dan een cijfer, zetten we het om in een samenvatting van fysische kenmerken. Die samenvatting bleek representatief genoeg om het hele elektrische veld te kunnen beoordelen.”
Veel sneller
De volgende stap was cruciaal: het modelleren van de kenmerken van het elektrisch veld als functie van de ontwerp parameters. Peter: “Eerst heeft PANalytical een uitgekiende lijst van mogelijke ontwerpen gesimuleerd. Vervolgens is op basis van de uitkomsten daarvan door CQM een nieuw model ontwikkeld dat per ontwerp snel de eigenschappen van het elektrisch veld kan voorspellen, veel sneller dan de simulatie. We leveren ten opzichte van de simulatie wel iets in op de nauwkeurigheid van de voorspelling, maar de snelheidswinst zorgde ervoor dat we in korte tijd systematisch zeer veel ontwerpen konden afzoeken om zo tot het optimale ontwerp te komen.”
De optimale röntgenbuis
Door de modelmatige aanpak was het ontwerpprobleem nu gereduceerd tot een wiskundig optimalisatieprobleem, waarvoor we een in een aantal stappen een optimaal ontwerp konden kiezen. Bovendien geeft het nieuwe model PANalytical een beter inzicht in de effecten van de verschillende ontwerpparameters. Het resultaat: een optimale röntgenbuis. Gert van Dorssen, groepsleider aan de kant van PANalytical: “Het mooie aan dit project is dat we de expertise van CQM en de kennis van PANalytical op een fantastische wijze hebben kunnen combineren. Dit was co-makership in optima forma. Een prachtige uitdaging in een aangename sfeer en vooral: een perfect resultaat."
Wil jij dat we jouw vraagstuk eens onder de loep nemen?
Neem dan contact op met Jan Willem Bikker. Wil je daarnaast op de hoogte blijven van het laatste nieuws van CQM, volg ons op LinkedIn of meld je aan voor onze digitale nieuwsbrief.
Openbaar maken en/of verveelvoudigen van teksten/beelden is alleen toegestaan na uitdrukkelijke toestemming van CQM.
Fotocredits: CQM en PANalytical.
