Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han producido y medido con precisión un espectro de rayos X utilizando un nuevo, máquina de última generación. El instrumento que utilizaron para medir los rayos X tardó 20 años en desarrollarse, y ayudará a los científicos que trabajan en la agencia a realizar algunas de las mediciones de materiales más precisas del mundo para su uso en todo, desde puentes hasta productos farmacéuticos. También garantizará que las mediciones de materiales de otros laboratorios de todo el mundo sean lo más fiables posible.

El proceso de construcción del instrumento para realizar las nuevas mediciones fue laborioso. "Este nuevo instrumento de precisión especializado requirió una enorme cantidad de innovación mecánica y modelado teórico, "dijo James Cline, líder de proyecto del equipo NIST que construyó la máquina. "Que hayamos podido dedicar tantos años y una experiencia científica de tan alto nivel a este proyecto es un reflejo del papel del NIST en el mundo de la ciencia".

"La longitud de onda de una radiografía es una regla mediante la cual podemos medir los espacios de los átomos en los cristales, "dijo Marcus Mendenhall, autor principal de un nuevo artículo en el Journal of Physics B:Atómico, Física molecular y óptica que aplica el nuevo instrumento a la medición del espectro de emisión de rayos X del cobre. "Ahora conocemos mejor la longitud de nuestra regla, y ahora se pueden medir todo tipo de materiales con mayor precisión ".

La nueva máquina permitirá a los investigadores vincular las mediciones de los espacios de celosía con mayor confianza a la definición del metro en el Sistema Internacional de Unidades (SI). Son las comparaciones con el medidor SI las que permiten garantizar la calidad en los niveles más pequeños y precisos.

Las mediciones de los investigadores fueron consistentes con los resultados de los últimos 40 años y capturaron nuevos detalles del espectro de rayos X. Además de los espacios de celosía, todos los elementos que se utilizaron para realizar las mediciones eran totalmente trazables al SI, asegurando la precisión y confiabilidad de las mediciones.

El trabajo de rayos X a menudo se asocia con la atención médica, pero los instrumentos de rayos X también se utilizan ampliamente en el comercio, ya que pueden ayudar a identificar y caracterizar una amplia gama de sustancias comunes, incluyendo cemento, rieles, cerámica, electrónica y medicinas.

Tanto en aplicaciones médicas como industriales, Los rayos X proporcionan a los científicos una forma de ver el interior de la materia. En el caso de humanos heridos, eso podría significar mirar dentro de un cuerpo para ver problemas como huesos rotos. También se utilizan rayos X, sin embargo, para ver la estructura atómica de sustancias a través de un método conocido como difracción.

La difracción de polvo, que implica moler una sustancia y colocarla en una máquina de rayos X de precisión para su análisis, se ha convertido en una técnica analítica omnipresente en la ciencia. Ahora hay más de 30, 000 difractómetros de laboratorio que se utilizan para ver cristales mediante rayos X con métodos de difracción de polvo en todo el mundo. Además, Hay varios cientos de difractómetros de polvo en todo el mundo que utilizan tipos de radiación no convencionales, como los de fuentes de neutrones y sincrotrones.

NIST produce materiales de referencia estándar (SRM) para la industria y la investigación académica, y son esenciales para los programas de garantía de calidad y para verificar la precisión de medidas específicas. La agencia también produce valores de referencia necesarios para calibrar instrumentos de rayos X de laboratorio en todo el mundo. Esta nueva La máquina de alta precisión jugará un papel importante en el futuro de ambas empresas.

Los rayos X que produce el nuevo instrumento, las líneas K-alfa de cobre, no son diferentes de los producidos por innumerables otras máquinas de rayos X. Se producen al disparar electrones a un objetivo de cobre. Que es diferente, sin embargo, es que años de ingeniería y cálculo han dado lugar a un instrumento que puede escanear un círculo completo alrededor de la muestra con una precisión extraordinaria. Adicionalmente, está equipado con una cámara de rayos X que brinda información mucho más rica que los detectores tradicionales, y proporciona controles de autoconsistencia para la alineación de la muestra y reduce las incertidumbres sistémicas. El instrumento fue construido en un laboratorio subterráneo con una temperatura muy controlada, lo que permite mediciones extremadamente precisas.

Uno de los logros más orgullosos del equipo fue el goniómetro bien caracterizado del instrumento, que es la parte utilizada para la medición de los ángulos entre las caras de los cristales que componen las muestras típicas de materiales sólidos. La máquina se calibra mediante el método de cierre circular, una técnica que utiliza múltiples comparaciones de las diferencias entre dos o más escalas angulares, rotados repetidamente entre sí para determinar las incertidumbres de medición en cada escala. Esta, junto con un amplio rango de escaneo, permite una medición precisa del ángulo entre los cristales y, por lo tanto, el espectro de rayos X, sin perturbar la alineación del cristal.

Mendenhall y Cline ahora planean actualizar las mediciones de muchos SRM, así como otras líneas de rayos X importantes (de materiales distintos al cobre) en el catálogo del NIST utilizando su nueva máquina. Ese proceso llevará tiempo, ya que este tipo de medición de rayos X puede llevar semanas o incluso meses. Afortunadamente, la mayor parte de la tarea solo implica una pequeña cantidad de interacción humana, dado que la máquina se automatiza una vez que ha comenzado una medición, permitiendo a los científicos continuar investigando otros temas mientras la máquina hace su trabajo.

"El objetivo no era hacer una máquina que el resto del mundo y las entidades comerciales puedan imitar y fabricar ellos mismos, sino más bien, para hacer una máquina que pueda dar a todos la mejor respuesta a las preguntas de medición, "dijo Mendenhall.