Røntgenstråler fra kobberkilde sætter ny guldstandard for måling af industrielle materialer

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har produceret og præcist målt et spektrum af røntgenstråler ved hjælp af en ny, state-of-the-art maskine. Instrumentet de brugte til at måle røntgenstrålerne tog 20 år at udvikle, og vil hjælpe forskere, der arbejder på agenturet, med at lave nogle af verdens mest præcise målinger af materialer til brug i alt fra broer til lægemidler. Det vil også sikre, at målingerne af materialer fra andre laboratorier rundt om i verden er så pålidelige som muligt.

Processen med at bygge instrumentet til at foretage de nye målinger var omhyggelig. "Dette nye specialiserede præcisionsinstrument krævede både en enorm mængde mekanisk innovation og teoretisk modellering, "sagde James Cline, projektleder for NIST -teamet, der byggede maskinen. "At vi var i stand til at dedikere så mange år og så høj videnskabelig ekspertise til dette projekt afspejler NIST's rolle i videnskabens verden."

"Bølgelængden af ​​en røntgenstråle er en lineal, hvormed vi kan måle afstanden mellem atomer i krystaller, " sagde Marcus Mendenhall, hovedforfatter til et nyt papir i Journal of Physics B:Atomic, Molekylær og optisk fysik der anvender det nye instrument til måling af kobberrøntgenemissionsspektret. "Vi kender nu længden på vores hersker bedre, og alle slags materialer kan nu måles med forbedret nøjagtighed. "

Den nye maskine vil gøre det muligt for forskere at koble målinger af gitterafstandene med større tillid til definitionen af ​​måleren i International System of Units (SI). Det er sammenligningerne med SI -måleren, der giver mulighed for kvalitetssikring på de mindste og mest præcise niveauer.

Forskernes målinger var i overensstemmelse med resultaterne fra de sidste 40 år og fangede nye detaljer om røntgenspektret. Ud over gitterafstandene, alle de elementer, der gik med til at foretage målinger, var fuldt sporbare til SI, sikre målingernes nøjagtighed og pålidelighed.

Røntgenarbejde er ofte forbundet med lægehjælp, men røntgeninstrumenter er også meget udbredt i handel, da de kan hjælpe med at identificere og karakterisere en lang række almindelige stoffer, herunder cement, metaller, keramik, elektronik og medicin.

Både i medicinske og industrielle applikationer, Røntgenstråler giver forskere en måde at se indre stof. I tilfælde af sårede mennesker, det kan betyde, at man kigger ind i en krop for at se problemer som knækkede knogler. Røntgenstråler bruges også, imidlertid, at se stoffers atomstruktur ved hjælp af en metode kendt som diffraktion.

Pulverdiffraktion-som involverer formaling af et stof og anbringelse af det i en præcisionsrøntgenmaskine til analyse-er blevet en allestedsnærværende analytisk teknik inden for videnskab. Der er nu mere end 30, 000 laboratoriediffraktometre bliver brugt til at se krystaller ved hjælp af røntgenstråler med pulverdiffraktionsmetoder rundt om i verden. Ud over, der er flere hundrede pulverdiffraktometre verden over, der anvender ikke-konventionelle typer stråling, såsom dem fra synkrotron- og neutronkilder.

NIST producerer Standard Reference Materials (SRM'er) til industri og akademisk forskning, og de er afgørende for kvalitetssikringsprogrammer og for at verificere nøjagtigheden af ​​specifikke målinger. Agenturet producerer også referenceværdier, der er nødvendige for kalibrering af laboratorierøntgeninstrumenter på verdensplan. Denne nye, højpræcisionsmaskine vil spille en stor rolle i begge virksomheders fremtid.

De røntgenstråler, det nye instrument producerer, K-alfa linjer af kobber, er ikke anderledes end dem, der produceres af utallige andre røntgenapparater. De produceres ved at affyre elektroner mod et kobbermål. Hvad er anderledes, imidlertid, er, at mange års teknik og beregning har frembragt et instrument, der kan scanne en hel cirkel rundt om prøven med ekstraordinær nøjagtighed. Derudover den er udstyret med et røntgenkamera, der giver meget rigere information end traditionelle detektorer, og giver selvkonsistenskontrol for justering af prøven og reducerer systemiske usikkerheder. Instrumentet blev konstrueret i et underjordisk laboratorium med en tæt kontrolleret temperatur, som giver mulighed for ekstremt nøjagtige målinger.

En af holdets stolteste præstationer var instrumentets velkarakteriserede goniometer, som er den del, der bruges til måling af vinklerne mellem overfladerne af krystaller, der udgør typiske prøver af faste materialer. Maskinen er kalibreret ved hjælp af cirkellukningsmetoden, en teknik, der bruger flere sammenligninger af forskellene mellem to eller flere vinkelskalaer, gentagne gange roteret i forhold til hinanden for at bestemme måleusikkerhederne i hver skala. Det her, i forbindelse med et stort scanneområde, muliggør nøjagtig måling af vinklen mellem krystallerne og, derfor, røntgenspektret, uden at forstyrre krystaljustering.

Mendenhall og Cline planlægger nu at opdatere målingerne af mange SRM'er samt andre vigtige røntgenlinjer (fra andre materialer end kobber) i NIST-kataloget ved hjælp af deres nye maskine. Den proces vil tage tid, da denne form for røntgenmåling kan tage uger eller endda måneder. Heldigvis, det meste af opgaven involverer kun en lille mængde menneskelig interaktion, da maskinen er automatiseret, når en måling er begyndt, tillader forskerne at fortsætte med at undersøge andre emner, mens maskinen gør sit arbejde.

"Målet var ikke at lave en maskine, som resten af ​​verden og kommercielle enheder kan efterligne og lave selv, men hellere, at lave en maskine, der kan give alle det bedste svar på målespørgsmål, "sagde Mendenhall.