Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har tagit fram och exakt mätt ett spektrum av röntgenstrålar med en ny, toppmodern maskin. Det tog 20 år att utveckla instrumentet som de använde för att mäta röntgenstrålarna, och kommer att hjälpa forskare som arbetar på byrån att göra några av världens mest exakta mätningar av material för användning i allt från broar till läkemedel. Det kommer också att se till att mätningarna av material från andra laboratorier runt om i världen är så tillförlitliga som möjligt.

Processen att bygga instrumentet för att göra de nya mätningarna var noggrann. "Detta nya specialiserade precisionsinstrument krävde både en enorm mängd mekanisk innovation och teoretisk modellering, "sa James Cline, projektledare för NIST -teamet som byggde maskinen. "Att vi kunde ägna så många år och så hög vetenskaplig expertis åt detta projekt återspeglar NIST:s roll i vetenskapens värld."

"Våglängden för en röntgen är en linjal med vilken vi kan mäta avstånd mellan atomer i kristaller, "sa Marcus Mendenhall, huvudförfattare till ett nytt papper i Journal of Physics B:Atomic, Molekylär och optisk fysik som tillämpar det nya instrumentet för mätning av kopparröntgenemissionsspektrumet. "Vi vet nu längden på vår härskare bättre, och alla typer av material kan nu mätas med förbättrad noggrannhet. "

Den nya maskinen gör det möjligt för forskare att koppla mätningar av gitteravstånden med större förtroende till definitionen av mätaren i International System of Units (SI). Det är jämförelserna med SI -mätaren som möjliggör kvalitetssäkring på de minsta och mest exakta nivåerna.

Forskarnas mätningar överensstämde med resultaten från de senaste 40 åren och fångade nya detaljer om röntgenspektrumet. Förutom gitteravstånden, alla element som gick in för att göra mätningar var helt spårbara till SI, säkerställa mätningarnas noggrannhet och tillförlitlighet.

Röntgenarbete är ofta förknippat med medicinsk vård, men röntgeninstrument används också mycket i handeln, eftersom de kan hjälpa till att identifiera och karakterisera ett brett spektrum av vanliga ämnen, inklusive cement, metaller, keramik, elektronik och mediciner.

I både medicinska och industriella tillämpningar, Röntgen ger forskare ett sätt att se inre materia. För skadade människor, det kan innebära att titta inuti en kropp för att se problem som brutna ben. Röntgen används också, dock, för att se ämnenas atomstruktur genom en metod som kallas diffraktion.

Pulverdiffraktion-som innebär att man slipar ett ämne och placerar det i en precisionsröntgenmaskin för analys-har blivit en allestädes närvarande analytisk teknik inom vetenskapen. Det finns nu mer än 30, 000 laboratoriediffraktometrar används för att se kristaller med röntgenstrålning med pulverdiffraktionsmetoder runt om i världen. Dessutom, det finns flera hundra pulverdiffraktometrar över hela världen som använder icke -konventionella strålningstyper, till exempel från synkrotron- och neutronkällor.

NIST producerar standardreferensmaterial (SRM) för industri och akademisk forskning, och de är viktiga för kvalitetssäkringsprogram och för att verifiera riktigheten hos specifika mätningar. Byrån producerar också referensvärden som behövs för kalibrering av laboratorieröntgeninstrument över hela världen. Den här nya, hög precision maskin kommer att spela en stor roll i framtiden för båda företagen.

Röntgenstrålarna som det nya instrumentet producerar, K-alfa-linjerna av koppar, skiljer sig inte från de som produceras av otaliga andra röntgenapparater. De produceras genom att skjuta elektroner mot ett kopparmål. Vad är skillnaden, dock, är att många års konstruktion och beräkning har tagit fram ett instrument som kan skanna en hel cirkel runt provet med extraordinär noggrannhet. Dessutom, den är utrustad med en röntgenkamera som ger mycket rikare information än traditionella detektorer, och ger självkonsistenskontroller för provets inriktning och minskar systemiska osäkerheter. Instrumentet konstruerades i ett underjordiskt laboratorium med en noggrant kontrollerad temperatur, vilket möjliggör extremt noggranna mätningar.

En av lagets stoltaste prestationer var instrumentets välkarakteriserade goniometer, som är den del som används för mätning av vinklarna mellan kristallernas ytor som utgör typiska prover av fasta material. Maskinen kalibreras med cirkelförslutningsmetoden, en teknik som använder flera jämförelser av skillnaderna mellan två eller flera vinkelskalor, upprepade gånger roterat med avseende på varandra för att bestämma mätosäkerheterna i varje skala. Detta, i kombination med ett brett skanningsområde möjliggör exakt mätning av vinkeln mellan kristallerna och, därför, röntgenspektrum, utan att störa kristallinriktningen.

Mendenhall och Cline planerar nu att uppdatera mätningarna av många SRM samt andra viktiga röntgenlinjer (från andra material än koppar) i NIST-katalogen med sin nya maskin. Den processen kommer att ta tid, eftersom denna typ av röntgenmätning kan ta veckor eller till och med månader. Lyckligtvis, det mesta av uppgiften innebär bara en liten mängd mänsklig interaktion, eftersom maskinen automatiseras när en mätning har påbörjats, låta forskarna fortsätta undersöka andra ämnen medan maskinen gör sitt jobb.

"Målet var inte att göra en maskin som resten av världen och kommersiella enheter kan imitera och göra själva, men hellre, att göra en maskin som kan ge alla det bästa svaret på mätfrågor, sa Mendenhall.