Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een spectrum van röntgenstralen geproduceerd en nauwkeurig gemeten met behulp van een nieuwe, state-of-the-art automaat. Het instrument dat ze gebruikten om de röntgenstralen te meten, duurde 20 jaar om te ontwikkelen, en zal wetenschappers die bij het bureau werken helpen bij het maken van enkele van 's werelds meest nauwkeurige metingen van materialen voor gebruik in alles, van bruggen tot farmaceutische producten. Het zal er ook voor zorgen dat de metingen van materialen van andere laboratoria over de hele wereld zo betrouwbaar mogelijk zijn.

Het proces van het bouwen van het instrument voor het maken van de nieuwe metingen was nauwgezet. "Dit nieuwe gespecialiseerde precisie-instrument vereiste zowel een enorme hoeveelheid mechanische innovatie als theoretische modellering, " zei James Cline, projectleider van het NIST-team dat de machine heeft gebouwd. "Dat we zoveel jaren en wetenschappelijke expertise op hoog niveau aan dit project hebben kunnen wijden, weerspiegelt de rol van NIST in de wetenschappelijke wereld."

"De golflengte van een röntgenstraal is een liniaal waarmee we afstanden van atomen in kristallen kunnen meten, " zei Marcus Mendenhall, hoofdauteur van een nieuw artikel in de Journal of Physics B:Atomic, Moleculaire en optische fysica dat het nieuwe instrument toepast op de meting van het koperröntgenstralingsspectrum. "We kennen nu de lengte van onze liniaal beter, en allerlei materialen kunnen nu nauwkeuriger worden gemeten."

Met de nieuwe machine kunnen onderzoekers metingen van de roosterafstanden met meer vertrouwen koppelen aan de definitie van de meter in het International System of Units (SI). Het zijn de vergelijkingen met de SI-meter die kwaliteitsborging op het kleinste en meest nauwkeurige niveau mogelijk maken.

De metingen van de onderzoekers waren consistent met resultaten van de afgelopen 40 jaar en legden nieuwe details vast van het röntgenspectrum. Naast de roosterafstanden, alle elementen die bij het maken van metingen zijn gebruikt, waren volledig herleidbaar tot de SI, het verzekeren van de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de metingen.

Röntgenwerk wordt vaak geassocieerd met medische zorg, maar röntgeninstrumenten worden ook veel gebruikt in de handel, omdat ze kunnen helpen bij het identificeren en karakteriseren van een breed scala van veel voorkomende stoffen, inclusief cement, metalen, keramiek, elektronica en medicijnen.

In zowel medische als industriële toepassingen, Röntgenstralen bieden wetenschappers een manier om in de materie te kijken. In het geval van gewonde mensen, dat kan betekenen dat je in een lichaam moet kijken om problemen zoals gebroken botten te zien. Röntgenstralen worden ook gebruikt, echter, om de atomaire structuur van stoffen te bekijken via een methode die bekend staat als diffractie.

Poederdiffractie - waarbij een stof wordt vermalen en voor analyse in een precisie-röntgenapparaat wordt geplaatst - is een alomtegenwoordige analytische techniek in de wetenschap geworden. Inmiddels zijn er meer dan 30 000 laboratoriumdiffractometers die worden gebruikt om kristallen te bekijken met behulp van röntgenstralen met poederdiffractiemethoden over de hele wereld. In aanvulling, er zijn wereldwijd enkele honderden poederdiffractometers die gebruik maken van niet-conventionele soorten straling, zoals die van synchrotron- en neutronenbronnen.

NIST produceert Standard Reference Materials (SRM's) voor industrieel en academisch onderzoek, en ze zijn essentieel voor kwaliteitsborgingsprogramma's en om de nauwkeurigheid van specifieke metingen te verifiëren. Het bureau produceert ook referentiewaarden die nodig zijn voor het kalibreren van laboratoriumröntgeninstrumenten wereldwijd. Deze nieuwe, hoge precisie machine zal een grote rol spelen in de toekomst van beide ondernemingen.

De röntgenstralen die het nieuwe instrument produceert, de K-alpha-lijnen van koper, verschillen niet van die van talloze andere röntgenapparaten. Ze worden geproduceerd door elektronen af ​​te vuren op een koperen doelwit. Wat is anders, echter, is dat jaren van engineering en berekening een instrument hebben voortgebracht dat met buitengewone nauwkeurigheid een volledige cirkel rond het monster kan scannen. Aanvullend, het is uitgerust met een röntgencamera die veel rijkere informatie geeft dan traditionele detectoren, en biedt zelfconsistentiecontroles voor uitlijning van het monster en vermindert systemische onzekerheden. Het instrument is gebouwd in een ondergronds laboratorium met een nauwkeurig gecontroleerde temperatuur, waardoor uiterst nauwkeurige metingen mogelijk zijn.

Een van de meest trotse prestaties van het team was de goed gekarakteriseerde goniometer van het instrument, dat is het deel dat wordt gebruikt voor het meten van de hoeken tussen de vlakken van kristallen die typische monsters van vaste materialen vormen. De machine is gekalibreerd met behulp van de cirkelsluitingsmethode, een techniek die meerdere vergelijkingen van de verschillen tussen twee of meer hoekschalen gebruikt, herhaaldelijk ten opzichte van elkaar geroteerd om de meetonzekerheden in elke schaal te bepalen. Dit, in combinatie met een breed scanbereik, maakt nauwkeurige meting van de hoek tussen de kristallen mogelijk en, daarom, het röntgenspectrum, zonder de kristaluitlijning te verstoren.

Mendenhall en Cline zijn nu van plan om met hun nieuwe machine de metingen van veel SRM's en andere belangrijke röntgenlijnen (van andere materialen dan koper) in de NIST-catalogus bij te werken. Dat proces zal tijd kosten, aangezien dit soort röntgenmetingen weken of zelfs maanden kan duren. Gelukkig, het grootste deel van de taak omvat slechts een kleine hoeveelheid menselijke interactie, aangezien de machine wordt geautomatiseerd zodra een meting is begonnen, waardoor de wetenschappers andere onderwerpen kunnen blijven onderzoeken terwijl de machine zijn werk doet.

"Het doel was niet om een ​​machine te maken die de rest van de wereld en commerciële entiteiten zelf kunnen imiteren en maken, maar liever, om een ​​machine te maken die iedereen het beste antwoord kan geven op meetvragen, ’ zei Mendenhall.