Nye enheder til kontrol af røntgenbilleder er billigere, hurtigere at lave

Forskere ved US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har udviklet en billigere og mere effektiv måde at kontrollere røntgenstråler, der bruges til at studere de indviklede detaljer om batterier, solceller, proteiner og alle slags materialer. De nye stråleformende enheder, opfundet af Brookhaven maskiningeniør Sushil Sharma, kan laves af et enkelt stykke kobber, hvilket dramatisk reducerer tid og kompleksitet af deres konstruktion - og deres omkostninger. Det er ikke underligt, at røntgen lyskilder rundt om i verden, herunder Brookhaven Labs National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), er begyndt at vælge de nye designs frem for deres mere komplekse og dyre forgængere.

Synkrotron lyskilder som NSLS-II, en DOE Office of Science brugerfacilitet, producerer meget kraftige røntgenstråler ved at vrikke på elektronenes vej, der suser gennem en cirkulær ring ved 99,99 procent lysets hastighed. Vrikkerne får elektronerne til at udsende røntgenstråler, som kanaliseres ind i strålelinjer for at give forskere mulighed for at studere ting, vi ikke kan se med det blotte øje - fra biologiske celler helt ned til enkeltatomer. Når NSLS-II er fuldt bygget, det vil have mere end tres beamlines, der forsker i mange forskellige emner, fra humane proteiner til kunstig fotosyntese, avancerede batterier, og interplanetære støvpartikler.

"Jeg synes, det er spændende at arbejde i en facilitet, hvor der foregår forskning, der kan ændre folks liv i fremtiden, "sagde Sharma.

De røntgenstråler, som NSLS-II producerer, imidlertid, er meget kraftfulde og skal være godt kontrolleret for at levere den rigtige intensitet til hver stråle. Talrige "strålefangstende enheder" indtager denne rolle, hver udfører et lidt anderledes job:opdeling af strålen, formindskelse af strålens størrelse, eller afskærmning af varmefølsomme komponenter fra røntgenstrålerne.

Konventionelt, ingeniører konstruerede alle disse enheder ved hjælp af flere dele - en midterste del lavet af en kobberlegering, og endestykker i rustfrit stål, der danner en vakuumforsegling med bjælkelinjen. Desværre, dette design kræver tidskrævende, processer ved høj temperatur for at sætte alle dele sammen, og en dyr proprietær kobberlegering, der kan modstå varmen i produktionen. Ifølge Sharma, det tager alt fra seks til ni måneder at få legeringen og fremstille disse enheder.

"Vi havde gjort det på denne måde i 25 år, men hele processen var tidskrævende og ikke særlig pålidelig. Det var et udfordrende problem for lyskildefaciliteterne, "sagde han." Jeg begyndte at tænke - hvorfor laver vi ikke hele stykket af et materiale? Det krævede en målrettet indsats i design og test, men dette er resultatet. "

Ved hjælp af NSLS-II ingeniører Christopher Amundsen, Frank DePaola, Lewis Doom, Muhammad Hussain, og Frank Lincoln i udviklingen og afprøvningen af ​​de nye enheder, Sharmas vision kom til live. Det nye design slipper af med endestykkerne i rustfrit stål-i stedet selve kobberet er formet til at lave en tæt vakuumforsegling med bjælkelinjen. Som resultat, enhederne er lavet af et enkelt stykke kobber, eliminerer den tidskrævende, høj temperaturbehandling og behovet for et proprietært varmebestandigt kobber. I stedet for det dyre materiale, det nye design bruger en bredt tilgængelig kobberlegering, der sælges til en fjerdedel af prisen. Samlet set, Sharmas design er halvdelen af ​​prisen på de konventionelle enheder, som varierede fra $ 5, 000 til $ 25, 000 hver.

Designet i ét stykke reducerer også produktionstiden betydeligt. I 2016, dette blev testet på Brookhaven Lab, da konventionelle enheder, der tidligere var blevet bestilt, ikke ankom på grund af produktionsproblemer. Har brug for en hurtig udskiftning for at få strålelinjen til at fungere, laboratoriet lavede enhederne i en maskinbutik på stedet ved hjælp af Sharmas nye design. Det tog dem kun ti dage at producere tre, der henviser til, at selv det første trin med at opnå den varmebestandige kobberlegering til en konventionel enhed kunne have taget måneder.

En synkrotron lyskilde på størrelse med NSLS-II har brug for omkring 1, 000 af disse strålefangstende enheder, så dette nye design kan spare lyskilder betydelig tid, penge, og indsats. European Synchrotron Radiation Facility-en lyskilde svarende til NSLS-II-har allerede bestilt fire hundrede enheder ved hjælp af Sharmas design.

Indtil nu, NSLS-II har inkorporeret fyrre af de nye enheder i sine strålelinjer. Og, efter et års drift her på Brookhaven Lab, sagde Sharma, "enhederne gør stadig deres job perfekt."