Onderzoekers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een goedkopere en efficiëntere manier ontwikkeld om röntgenstralen te controleren die worden gebruikt om de ingewikkelde details van batterijen te bestuderen. zonnepanelen, eiwitten en allerlei materialen. De nieuwe bundelvormende apparaten, uitgevonden door Brookhaven werktuigbouwkundig ingenieur Sushil Sharma, kan worden gemaakt van een enkel stuk koper, wat de tijd en complexiteit van hun constructie drastisch vermindert - en hun kosten. Het is geen wonder dat röntgenlichtbronnen over de hele wereld, inclusief Brookhaven Lab's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), beginnen de nieuwe ontwerpen te verkiezen boven hun complexere en duurdere voorgangers.

Synchrotron lichtbronnen zoals NSLS-II, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, produceren zeer krachtige bundels röntgenstralen door het pad van elektronen te wiebelen die met 99,99 procent de snelheid van het licht door een cirkelvormige ring versnellen. De kronkels zorgen ervoor dat de elektronen röntgenstralen uitzenden, die worden gekanaliseerd in bundellijnen zodat wetenschappers dingen kunnen bestuderen die we niet met het blote oog kunnen zien - van biologische cellen helemaal tot aan enkele atomen. Wanneer NSLS-II volledig is gebouwd, het zal meer dan zestig bundellijnen hebben die onderzoek doen naar veel verschillende onderwerpen, van menselijke eiwitten tot kunstmatige fotosynthese, geavanceerde batterijen, en interplanetaire stofdeeltjes.

"Ik vind het opwindend om in een faciliteit te werken waar onderzoek plaatsvindt dat het leven van mensen in de toekomst kan veranderen, ' zei Sharma.

De bundels röntgenstralen die NSLS-II produceert, echter, zijn zeer krachtig en moeten goed worden gecontroleerd om de juiste intensiteit aan elke bundellijn te leveren. Talloze "straalonderscheppingsapparaten" nemen deze rol op zich, elk een iets andere taak uitvoeren:het opsplitsen van de balk, het verkleinen van de straal, of het afschermen van warmtegevoelige componenten tegen de röntgenstralen.

conventioneel, ingenieurs hebben al deze apparaten geconstrueerd met behulp van meerdere onderdelen - een middengedeelte gemaakt van een koperlegering, en roestvrijstalen eindstukken die een vacuümafdichting vormen met de bundellijn. Helaas, dit ontwerp vergt tijdsintensief, processen bij hoge temperatuur om alle onderdelen samen te voegen, en een dure gepatenteerde koperlegering die bestand is tegen de hitte van de productie. Volgens Sharma, het duurt zes tot negen maanden om de legering te verkrijgen en deze apparaten te maken.

"We doen het al 25 jaar op deze manier, maar het hele proces was tijdrovend en niet erg betrouwbaar. Het was een uitdagend probleem voor de lichtbronfaciliteiten, " zei hij. "Ik begon te denken - waarom maken we niet het hele stuk van één materiaal? Het kostte wat gerichte inspanning bij het ontwerpen en testen, maar dit is het resultaat."

Met de hulp van NSLS-II-ingenieurs Christopher Amundsen, Frank De Paola, Lewis Doom, Mohammed Hussein, en Frank Lincoln bij het ontwikkelen en testen van de nieuwe apparaten, Sharma's visie kwam tot leven. Het nieuwe ontwerp verwijdert de roestvrijstalen eindstukken - in plaats daarvan het koper zelf is gevormd om een ​​strakke vacuümafdichting te maken met de bundellijn. Als resultaat, de apparaten zijn gemaakt uit één stuk koper, het elimineren van de tijdrovende, verwerking op hoge temperatuur en de behoefte aan een gepatenteerd hittebestendig koper. In plaats van het kostbare materiaal, het nieuwe ontwerp maakt gebruik van een algemeen beschikbare koperlegering die voor een kwart van de kosten wordt verkocht. Algemeen, Sharma's ontwerp is de helft goedkoper dan conventionele apparaten, die varieerde van $ 5, 000 tot $ 25, 000 elk.

Het ontwerp uit één stuk verkort ook de productietijd aanzienlijk. in 2016, dit werd op de proef gesteld in Brookhaven Lab toen conventionele apparaten die eerder waren besteld, vanwege fabricageproblemen niet arriveerden. Een snelle vervanging nodig om de bundellijn werkend te krijgen, the Lab maakte de apparaten in een machinewerkplaats op locatie met behulp van Sharma's nieuwe ontwerp. Het kostte hen slechts tien dagen om er drie te produceren, terwijl zelfs de eerste stap om de hittebestendige koperlegering voor één conventioneel apparaat te verkrijgen, maanden had kunnen duren.

Een synchrotron-lichtbron ter grootte van NSLS-II heeft ongeveer 1, 000 van deze straalonderscheppende apparaten, dus dit nieuwe ontwerp kan lichtbronnen veel tijd besparen, geld, en inspanning. De European Synchrotron Radiation Facility - een lichtbron die qua grootte vergelijkbaar is met NSLS-II - heeft al vierhonderd apparaten in gebruik genomen volgens het ontwerp van Sharma.

Tot dusver, NSLS-II heeft veertig van de nieuwe apparaten in zijn bundellijnen opgenomen. En, na een jaar werken hier bij Brookhaven Lab, zei Sharma, "de apparaten doen hun werk nog steeds perfect."