Investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han desarrollado una forma menos costosa y más eficiente de controlar los haces de rayos X utilizados para estudiar los intrincados detalles de las baterías. células solares, proteínas y todo tipo de materiales. Los nuevos dispositivos de modelado de haces, inventado por el ingeniero mecánico de Brookhaven Sushil Sharma, puede estar hecho de una sola pieza de cobre, lo que reduce drásticamente el tiempo y la complejidad de su construcción, y su costo. No es de extrañar que las fuentes de luz de rayos X de todo el mundo, incluida la fuente de luz de sincrotrón nacional II de Brookhaven Lab (NSLS-II), están comenzando a elegir los nuevos diseños sobre sus predecesores más complejos y costosos.

Fuentes de luz de sincrotrón como NSLS-II, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, producen haces de rayos X muy potentes moviendo el camino de los electrones que atraviesan un anillo circular al 99,99 por ciento de la velocidad de la luz. Los meneos hacen que los electrones emitan rayos X, que se canalizan en líneas de luz para permitir a los científicos estudiar cosas que no podemos ver a simple vista, desde células biológicas hasta átomos individuales. Cuando NSLS-II está completamente construido, tendrá más de sesenta líneas de luz investigando sobre muchos temas diversos, de las proteínas humanas a la fotosíntesis artificial, baterías avanzadas, y partículas de polvo interplanetario.

"Me parece emocionante trabajar en una instalación donde se están llevando a cabo investigaciones que podrían cambiar la vida de las personas en el futuro, "dijo Sharma.

Los haces de rayos X que produce NSLS-II, sin embargo, son muy potentes y deben controlarse bien para ofrecer la intensidad adecuada a cada línea de luz. Numerosos "dispositivos interceptores de haces" asumen este papel, cada uno realizando un trabajo ligeramente diferente:dividir la viga, disminuyendo el tamaño de la viga, o protegiendo los componentes sensibles al calor de los rayos X.

Convencionalmente Los ingenieros construyeron todos estos dispositivos utilizando varias partes:una parte central hecha de una aleación de cobre, y piezas terminales de acero inoxidable que forman un sello de vacío con la línea de luz. Desafortunadamente, este diseño requiere mucho tiempo, procesos de alta temperatura para unir todas las piezas, y una costosa aleación de cobre patentada que puede soportar el calor de la producción. Según Sharma, se necesitan entre seis y nueve meses para obtener la aleación y fabricar estos dispositivos.

"Lo hemos estado haciendo de esta manera durante 25 años, pero todo el proceso requería mucho tiempo y no era muy confiable. Fue un problema desafiante para las instalaciones de fuentes de luz, ", dijo." Empecé a pensar:¿por qué no hacemos la pieza completa con un solo material? Tomó un esfuerzo enfocado en el diseño y las pruebas, pero este es el resultado ".

Con la ayuda de los ingenieros de NSLS-II, Christopher Amundsen, Frank DePaola, Lewis Doom, Muhammad Hussain, y Frank Lincoln en el desarrollo y prueba de los nuevos dispositivos, La visión de Sharma cobró vida. El nuevo diseño elimina las piezas terminales de acero inoxidable; en su lugar, el cobre en sí tiene la forma de hacer un sello de vacío hermético con la línea de luz. Como resultado, los dispositivos están hechos de una sola pieza de cobre, eliminando el tiempo, procesamiento a alta temperatura y la necesidad de un cobre patentado resistente al calor. En lugar del costoso material, el nuevo diseño utiliza una aleación de cobre ampliamente disponible que se vende a una cuarta parte del costo. En general, El diseño de Sharma cuesta la mitad del precio de los dispositivos convencionales, que osciló entre $ 5, 000 a $ 25, 000 cada uno.

El diseño de una pieza también reduce significativamente el tiempo de producción. En 2016, esto se puso a prueba en Brookhaven Lab cuando los dispositivos convencionales que se habían pedido previamente no llegaron debido a problemas de fabricación. Necesita un reemplazo rápido para que la línea de luz funcione, el laboratorio fabricó los dispositivos en un taller de máquinas in situ utilizando el nuevo diseño de Sharma. Solo les tomó diez días producir tres, mientras que incluso el primer paso para obtener la aleación de cobre resistente al calor para un dispositivo convencional podría haber llevado meses.

Una fuente de luz de sincrotrón del tamaño de NSLS-II necesita alrededor de 1, 000 de estos dispositivos interceptores de haces, por lo que este nuevo diseño puede ahorrar un tiempo considerable a las fuentes de luz, dinero, y esfuerzo. La instalación europea de radiación sincrotrón, una fuente de luz similar en tamaño a NSLS-II, ya ha puesto en marcha cuatrocientos dispositivos que utilizan el diseño de Sharma.

Hasta aquí, NSLS-II ha incorporado cuarenta de los nuevos dispositivos en sus líneas de luz. Y, después de un año de funcionamiento aquí en Brookhaven Lab, dijo Sharma, "los dispositivos siguen haciendo su trabajo a la perfección".