Es difícil obtener una imagen de rayos X de material de baja densidad como tejido entre los huesos porque los rayos X simplemente pasan directamente como la luz del sol a través de una ventana. Pero, ¿qué sucede si necesita ver el área que no es hueso?

Sandia National Laboratories estudia miles de materiales de baja densidad, desde capas laminadas en las alas de los aviones hasta espumas y epoxis que amortiguan las piezas. Entonces Sandia tomó prestada y perfeccionó una técnica que está siendo estudiada por el campo médico, Imágenes de contraste de fase de rayos X, mirar dentro del lado más suave de las cosas sin desarmarlas.

Sandia debe ser capaz de detectar defectos antes de que puedan causar una falla de alto impacto, porque los materiales no funcionan bien con huecos o grietas o si se están separando de superficies adyacentes. Por ejemplo, Los rayos X convencionales no pueden ver un defecto llamado grafoil en las capas laminadas del ala de un avión sin quitar la malla protectora de cobre que difunde la energía si un rayo golpea el avión. Y no pueden ver las espumas de importancia crítica y otros materiales que protegen contra los golpes, ruptura de alto voltaje y tensiones térmicas en componentes de armas nucleares.

Las imágenes de contraste de fase de rayos X miden no solo la cantidad de fotones de rayos X que atraviesan la muestra, como en las imágenes de rayos X convencionales, sino también la fase de los rayos X después de su paso, ofreciendo una mirada completa a las interfaces dentro de una estructura.

"Para materiales de baja densidad como plásticos, polímeros, espumas y otros encapsulantes, esta señal de fase puede ser mil veces mayor que la señal de absorción (de los rayos X convencionales), "dijo la investigadora principal Amber Dagel, que estudia microsistemas basados ​​en la física.

Las imágenes de contraste de fase de rayos X podrían usarse para inspeccionar los empaques de microfabricación, circuitos integrados o componentes microelectromecánicos y podría utilizarse para estudiar cerámica, polímeros, productos químicos o explosivos.

La técnica de Sandia logró imágenes de contraste de fase de rayos X en un laboratorio sin un sincrotrón, un equipo caro del tamaño de un campo de fútbol.

Se necesita una técnica más sensible

Otras técnicas actuales no son lo suficientemente sensibles para distinguir entre materiales. "Tiene un material denso mezclado con un material de baja densidad, y los rayos X tradicionales no pueden ver ese material de baja densidad, "Dijo Dagel." Así que no saben si los huecos están llenos de materiales de baja densidad o si eso es aire ".

Toma una naranja. Dagel tenía uno en su oficina y, reconociendo que en realidad son solo materiales de baja densidad, ella y sus colegas lo fotografiaron para demostrar su sistema.

Una imagen de rayos X convencional de una naranja es borrosa, sin detalle. Las imágenes de contraste de fase de rayos X muestran claramente las diferencias entre las capas delgadas de ralladura y médula y cómo se ven esas capas en comparación con la pulpa gruesa.

"Cuando la luz golpea el entusiasmo, se dobla un poco. Golpea la médula y se dobla un poco más, luego pasa por la pulpa, y se dobla en otra dirección, "Dijo Dagel." Cada interfaz, cada vez que el material cambia dentro de la muestra, dobla un poco la luz. Diferentes partes de su muestra doblan la luz de manera diferente, y medir eso es lo que da lugar a la imagen de contraste de fase ".

La investigación de Sandia Labs comenzó con un proyecto de investigación y desarrollo dirigido por laboratorios de 2014 a 2016 que demostró que las imágenes de contraste de fase de rayos X podían mostrar detalles donde un material se encuentra con otro. Un nuevo LDRD da el siguiente paso, aprender a hacer rejillas que operan a energías de rayos X más altas.

Rejillas componentes ópticos que parecen racimos de barras paralelas verticales, crear interferencias en el haz de rayos X, como un interferómetro, fusionando fuentes de luz para crear un patrón de interferencia que se pueda medir.

Las rejillas son fundamentales para la técnica, y usarlos a energías más altas "nos permitirá ver más muestras, muestras más densas o muestras más grandes, "Dijo Dagel. Son difíciles de hacer, pero Dagel dijo que el equipo de micromecanizado de metales de Sandia, dirigido por Christian Arrington, fabrica unos muy uniformes de hasta 4 pulgadas cuadradas. Eso se considera a gran escala y Sandia puede hacer rejillas como una pieza grande con buena uniformidad, ella dijo. El tamaño de la rejilla determina la cantidad de muestra que se puede ver a la vez.

La mayoría de los otros grupos que estudian imágenes de rayos X de contraste de fase están investigando la técnica para imágenes médicas, mientras Sandia lo está estudiando para aplicaciones de ciencia de materiales.

Las rejillas hacen posible el sistema Sandia

"Al muestrear el patrón brillante y oscuro, podemos reconstruir en el detector cómo debe haber sido este patrón, "Dagel dijo." Eso es si la luz pasa sin ninguna muestra allí. ¿Y si ahora pongo algo? como una naranja, delante de él? "La onda de luz se retrasa aún más al pasar por el naranja, "así que ahora tomaste esa ondulación y le diste aún más forma. Estamos midiendo cómo este frente de onda, esta fase, cambia a medida que pasa por la muestra ".

Ella cree que la técnica eventualmente tendrá un impacto enorme, tanto para la investigación como para el control de calidad en la fábrica.

"Creo que puede ser útil en la fase de investigación, cuando intenta comprender la distribución de microperlas dentro de un epoxi o cómo la espuma se acopla con el recipiente que se está llenando, hay un hueco ahí? ¿O qué defectos puedo ver en el laminado de mi ala de avión? ", Dijo." También creo que se puede utilizar para garantizar la calidad:sé cómo debería verse mi pieza, pero necesito asegurarme de que no haya grietas no hay vacíos ".

Dagel y sus colegas han presentado su investigación en varias conferencias, incluyendo el Taller Internacional sobre Rayos X y Imágenes de Fase de Neutrones con Rejillas en 2015 y la conferencia SPIE Defense + Commercial Sensing el año pasado.