Het is moeilijk om een ​​röntgenfoto te maken van materiaal met een lage dichtheid, zoals weefsel tussen botten, omdat röntgenstralen er gewoon doorheen gaan als zonlicht door een raam. Maar wat als u het gebied wilt zien dat geen bot is?

Sandia National Laboratories bestudeert talloze materialen met een lage dichtheid, van laminaatlagen in vliegtuigvleugels tot schuimen en epoxy's die onderdelen dempen. Dus Sandia leende en verfijnde een techniek die door de medische wereld wordt bestudeerd, Röntgenfasecontrastbeeldvorming, om in de zachtere kant van dingen te kijken zonder ze uit elkaar te halen.

Sandia moet defecten kunnen opsporen voordat ze een storing met grote gevolgen kunnen veroorzaken, omdat materialen niet goed presteren met holtes of scheuren of als ze scheiden van aangrenzende oppervlakken. Bijvoorbeeld, conventionele röntgenstralen kunnen een defect genaamd grafoil in de laminaatlagen van een vliegtuigvleugel niet zien zonder het beschermende koperen gaas te verwijderen dat energie verspreidt als bliksem het vliegtuig raakt. En ze kunnen de uiterst belangrijke schuimen en andere materialen die beschermen tegen schokken niet zien, hoogspanningsdoorslag en thermische spanningen in kernwapencomponenten.

Röntgenfasecontrastbeeldvorming meet niet alleen het aantal röntgenfotonen dat door het monster gaat, zoals bij conventionele röntgenbeeldvorming, maar ook de fase van de röntgenstralen nadat ze er doorheen zijn gegaan, biedt een complete kijk op interfaces binnen een structuur.

"Voor materialen met een lage dichtheid zoals kunststoffen, polymeren, schuim en andere inkapselingsmiddelen, dit fasesignaal kan duizend keer groter zijn dan het absorptiesignaal (van conventionele röntgenstraling), " zei hoofdonderzoeker Amber Dagel, die op fysica gebaseerde microsystemen bestudeert.

Röntgenfasecontrastbeeldvorming kan worden gebruikt om microfabricageverpakkingen te inspecteren, geïntegreerde schakelingen of micro-elektromechanische componenten en kunnen worden gebruikt om keramiek te bestuderen, polymeren, chemicaliën of explosieven.

Sandia's techniek bereikte röntgenfasecontrastbeeldvorming in een laboratorium zonder synchrotron, een duur apparaat ter grootte van een voetbalveld.

Meer gevoelige techniek nodig

Andere huidige technieken zijn niet gevoelig genoeg om onderscheid te maken tussen materialen. "Je hebt een dicht materiaal vermengd met een materiaal met een lage dichtheid, en traditionele röntgenstralen kunnen dat materiaal met lage dichtheid niet zien, 'Zei Dagel. 'Dus ze weten niet of de gaten zijn opgevuld met materialen met een lage dichtheid of dat het lucht is.'

Neem een ​​sinaasappel. Dagel had er een in haar kantoor en, erkennen dat het eigenlijk gewoon materialen met een lage dichtheid zijn, zij en haar collega's maakten er een afbeelding van om hun systeem te demonstreren.

Een conventionele röntgenfoto van een sinaasappel is wazig, zonder details. Röntgenfasecontrastbeeldvorming laat duidelijk de verschillen zien tussen de dunne lagen schil en merg en hoe die lagen eruitzien in vergelijking met de dikke pulp.

"Als het licht de schil raakt, het buigt een beetje. Het raakt het merg en het buigt een beetje meer, dan gaat het door de pulp, en het buigt een andere kant op, " zei Dagel. "Elke interface, elke keer dat het materiaal binnen het monster verandert, het buigt het licht een beetje. Verschillende delen van uw monster buigen het licht anders, en meten dat is wat aanleiding geeft tot het fasecontrastbeeld."

Het onderzoek van Sandia Labs begon met een laboratoriumgericht onderzoeks- en ontwikkelingsproject van 2014-2016 dat aantoonde dat röntgenfasecontrastbeeldvorming details kan laten zien waar het ene materiaal het andere ontmoet. Een nieuwe LDRD zet de volgende stap, leren om roosters te maken die werken bij hogere röntgenstralingsenergieën.

roosters, optische componenten die eruitzien als bundels rechtopstaande parallelle staven, interferentie veroorzaken in de röntgenstraal, zoals een interferometer, het samenvoegen van lichtbronnen om een ​​interferentiepatroon te creëren dat kan worden gemeten.

Roosters zijn cruciaal voor de techniek, en ze te gebruiken bij hogere energieën "laten we naar meer voorbeelden kijken, monsters die dichter zijn of monsters die groter zijn, " zei Dagel. Ze zijn moeilijk te maken, maar Dagel zei dat Sandia's metaalbewerkingsteam onder leiding van Christian Arrington zeer uniforme machines maakt tot 10 cm in het vierkant. Dat wordt als grootschalig beschouwd, en Sandia kan roosters maken als één groot stuk met een goede uniformiteit, ze zei. De raspgrootte bepaalt hoeveel van een monster tegelijk kan worden gezien.

De meeste andere groepen die fasecontrast-röntgenbeeldvorming bestuderen, onderzoeken de techniek voor medische beeldvorming, terwijl Sandia het bestudeert voor materiaalwetenschappelijke toepassingen.

Roosters maken Sandia systeem mogelijk

"Door het heldere en donkere patroon te bemonsteren, kunnen we op de detector reconstrueren hoe dit patroon eruit moet hebben gezien, "Zei Dagel. "Dat is als het licht gewoon doorgaat zonder een monster daar. Wat als ik nu iets plaats, als een sinaasappel, ervoor?" De lichtgolf wordt nog meer vertraagd door de sinaasappel, "Dus nu heb je die golving genomen en nog meer vorm gegeven. We meten hoe dit golffront, deze fase, verandert als het door het monster gaat."

Ze gelooft dat de techniek uiteindelijk een enorme impact zal hebben, zowel voor onderzoek als kwaliteitscontrole op de fabrieksvloer.

"Ik denk dat het nuttig kan zijn in de onderzoeksfase, wanneer je probeert de verdeling van microbeads in een epoxy te begrijpen of hoe het schuim past bij de bus die het vult, zit daar een gat? Of welke defecten kan ik zien aan mijn vliegtuigvleugellaminaat?" zei ze. "Ik denk ook dat het kan worden gebruikt voor kwaliteitsborging:ik weet hoe mijn onderdeel eruit moet zien, maar ik moet ervoor zorgen dat er geen scheuren zijn, er zijn geen leegtes."

Dagel en collega's hebben hun onderzoek op verschillende conferenties gepresenteerd, waaronder de International Workshop on X-ray and Neutron Phase Imaging with Gratings in 2015 en de SPIE Defense + Commercial Sensing-conferentie vorig jaar.