Lab udvikler en måde at opdage defekter i materialer, der er svære at forestille sig

Det er svært at få et røntgenbillede af materiale med lav densitet som væv mellem knogler, fordi røntgenstråler bare passerer lige igennem som sollys gennem et vindue. Men hvad nu hvis du har brug for at se det område, der ikke er ben?

Sandia National Laboratories undersøger myriader af materialer med lav densitet, fra laminatlag i flyvinger til skum og epoxy, der dæmper dele. Så Sandia lånte og forfinede en teknik, der blev undersøgt af det medicinske område, Røntgenfasekontrastbilleddannelse, at se ind i den blødere side af tingene uden at skille dem ad.

Sandia skal være i stand til at opdage defekter, før de kan forårsage en stor konsekvensfejl, fordi materialer ikke fungerer godt med hulrum eller revner, eller hvis de adskiller sig fra tilstødende overflader. For eksempel, konventionelle røntgenstråler kan ikke se en defekt kaldet en grafoil i laminatlagene i en flyvinge uden at fjerne det beskyttende kobbernet, der spreder energi, hvis lyn rammer flyet. Og de kan ikke se de kritisk vigtige skum og andre materialer, der beskytter mod stød, højspændingsnedbrud og termiske belastninger i atomvåbenkomponenter.

Røntgenfasekontrastbilleder måler ikke kun antallet af røntgenfotoner, der kommer igennem prøven, som ved konventionel røntgenbillede, men også fasen af ​​røntgenstrålerne efter at de har passeret, tilbyder et komplet kig på grænseflader inde i en struktur.

"For materialer med lav densitet som plast, polymerer, skum og andre indkapslinger, dette fasesignal kan være tusind gange større end absorptionssignalet (ved konventionel røntgen), sagde hovedforsker Amber Dagel, der studerer fysikbaserede mikrosystemer.

Røntgenfasekontrastbilleddannelse kan bruges til at inspicere mikrofabrikationsemballage, integrerede kredsløb eller mikroelektromekaniske komponenter og kan bruges til at studere keramik, polymerer, kemikalier eller sprængstoffer.

Sandias teknik opnåede røntgenfasekontrastbilleddannelse i et laboratorium uden en synkrotron, et dyrt udstyr på størrelse med en fodboldbane.

Mere følsom teknik nødvendig

Andre nuværende teknikker er ikke følsomme nok til at skelne mellem materialer. "Du har et tæt materiale blandet med et materiale med lav densitet, og traditionelle røntgenstråler kan ikke se det materiale med lav densitet, "Dagel sagde." Så de ved ikke, om hullerne er fyldt med materialer med lav densitet, eller om det er luft. "

Tag en appelsin. Dagel havde en på sit kontor, og erkender, at det egentlig bare er materialer med lav densitet, hun og hendes kolleger afbildede det for at demonstrere deres system.

Et konventionelt røntgenbillede af en appelsin er uklar, uden detaljer. Røntgenfasekontrastbillede viser tydeligt forskellene mellem de tynde lag af skal og sten, og hvordan disse lag ser ud i forhold til den tykke papirmasse.

"Når lyset rammer sindet, det bøjer lidt. Det rammer pitten, og det bøjer lidt mere, så går det gennem frugtkødet, og det bøjer en anden retning, "Dagel sagde." Hver grænseflade, hver gang materialet ændres i prøven, det bøjer lyset en smule. Forskellige dele af din prøve bøjer lyset forskelligt, og måling af det er det, der giver anledning til fasekontrastbilledet. "

Sandia Labs 'forskning begyndte med et Laboratory Directed Research and Development-projekt fra 2014-2016, der demonstrerede røntgenfasekontrastbilleddannelse kunne vise detaljer, hvor et materiale møder et andet. En ny LDRD tager det næste skridt, lære at lave gitter, der fungerer ved højere røntgenenergier.

Hilsner, optiske komponenter, der ligner bundter af opretstående parallelle stænger, skabe interferens i røntgenstrålen, som et interferometer, fletning af lyskilder for at skabe et interferensmønster, der kan måles.

Hilsner er afgørende for teknikken, og brug af dem ved højere energier "vil lade os se på flere prøver, prøver, der er tættere eller prøver, der er større, "Sagde Dagel. De er svære at lave, men Dagel sagde, at Sandias metal -mikromaskineringsteam ledet af Christian Arrington laver meget ensartede dem på op til 4 tommer kvadrat. Det betragtes som storstilet, og Sandia er i stand til at lave riste som et stort stykke med god ensartethed, hun sagde. Gitterstørrelse bestemmer, hvor meget af en prøve, der kan ses på én gang.

De fleste andre grupper, der studerer fasekontrastrøntgenbilleder, undersøger teknikken til medicinsk billeddannelse, mens Sandia studerer det til materialevidenskabelige applikationer.

Rist gør Sandia -system muligt

"Ved at prøve det lyse og mørke mønster kan vi rekonstruere på detektoren, hvordan dette mønster må have set ud, "Sagde Dagel." Det er, hvis lyset bare går igennem uden prøve der. Hvad hvis nu jeg lægger noget, som en appelsin, foran den? "Lysbølgen er endnu mere forsinket gennem den orange, "så nu tog du den bølger, og du gav den endnu mere form. Vi måler, hvordan denne bølge fronter, denne fase, ændres, når den passerer gennem prøven. "

Hun mener, at teknikken i sidste ende vil have en enorm indvirkning, både til forskning og kvalitetskontrol på fabriksgulvet.

"Jeg tror, ​​det kan være nyttigt i forskningsfasen, når du forsøger at forstå fordelingen af ​​mikroperler i en epoxy, eller hvordan skummet parrer sig med beholderen, det fylder op, er der et hul der? Eller hvilke fejl kan jeg se i mit flyvinge -laminat? "Sagde hun." Jeg tror også, at det kan bruges til kvalitetssikring:Jeg ved, hvordan min del skal se ud, men jeg skal sørge for, at der ikke er revner, der er ikke tomrum. "

Dagel og kolleger har præsenteret deres forskning på flere konferencer, herunder International Workshop on X-ray and Neutron Phase Imaging with Gratings i 2015 og SPIE Defense + Commercial Sensing-konferencen sidste år.