Det är svårt att få en röntgenbild av material med låg densitet som vävnad mellan benen eftersom röntgenstrålar bara passerar rakt igenom som solljus genom ett fönster. Men vad händer om du behöver se området som inte är ben?

Sandia National Laboratories studerar otaliga material med låg densitet, från laminatlager i flygplansvingar till skum och epoxier som dämpar delar. Så Sandia lånade och förädlade en teknik som studerades av det medicinska området, Röntgenfaskontrastavbildning, att titta in i den mjukare sidan utan att ta isär dem.

Sandia måste kunna upptäcka defekter innan de kan orsaka ett misslyckande med hög konsekvens, eftersom material inte fungerar bra med hålrum eller sprickor eller om de separerar från angränsande ytor. Till exempel, konventionella röntgenstrålar kan inte se en defekt som kallas grafoil i laminatlagren i en flygplansvinge utan att ta bort det skyddande kopparnätet som sprider energi om blixtnedslag träffar planet. Och de kan inte se de kritiskt viktiga skummen och andra material som skyddar mot stötar, högspänningsavbrott och termiska påfrestningar i kärnvapenkomponenter.

Röntgenfas kontrastavbildning mäter inte bara antalet röntgenfoton som kommer genom provet, som vid konventionell röntgenbildning, men också fasen av röntgenstrålarna efter att de passerat, erbjuder en fullständig titt på gränssnitt inuti en struktur.

"För material med låg densitet som plast, polymerer, skum och andra inkapslingsmedel, denna fassignal kan vara tusen gånger större än absorptionssignalen (för konventionell röntgen), "sade huvudutredaren Amber Dagel, som studerar fysikbaserade mikrosystem.

Röntgenfaskontrastavbildning kan användas för att inspektera mikrofabrikationsförpackningar, integrerade kretsar eller mikroelektromekaniska komponenter och kan användas för att studera keramik, polymerer, kemikalier eller sprängämnen.

Sandias teknik uppnådde röntgenfaskontrastavbildning i ett labb utan synkrotron, en dyr utrustning stor som en fotbollsplan.

Mer känslig teknik behövs

Andra nuvarande tekniker är inte tillräckligt känsliga för att skilja mellan material. "Du har ett tätt material blandat med ett material med låg densitet, och traditionella röntgenstrålar kan inte se det materialet med låg densitet, "Sa Dagel." Så de vet inte om luckorna är fyllda med material med låg densitet eller om det är luft. "

Ta en apelsin. Dagel hade en på sitt kontor och inser att det egentligen bara är material med låg densitet, hon och hennes kollegor avbildade det för att demonstrera sitt system.

En konventionell röntgenbild av en apelsin är suddig, utan detaljer. Röntgenfaskontrastavbildning visar tydligt skillnaderna mellan de tunna skikten av skal och grop och hur dessa lager ser ut jämfört med den tjocka massan.

"När ljuset träffar, det böjer sig lite. Det träffar piten och det böjer sig lite mer, sedan går det genom fruktköttet, och det böjer en annan riktning, "Sa Dagel." Varje gränssnitt, varje gång materialet ändras i provet, det böjer ljuset lite. Olika delar av ditt prov böjer ljuset annorlunda, och mätning av det är det som ger upphov till faskontrastbilden. "

Sandia Labs forskning inleddes med ett Laboratory Directed Research and Development-projekt från 2014-2016 som visade att röntgenfaskontrastavbildning kunde visa detaljer där ett material möter ett annat. En ny LDRD tar nästa steg, lära sig att göra galler som fungerar vid högre röntgenenergier.

Grattis, optiska komponenter som ser ut som buntar med upprättstående parallella staplar, skapa störningar i röntgenstrålen, som en interferometer, sammanslagning av ljuskällor för att skapa ett interferensmönster som kan mätas.

Gratulationer är avgörande för tekniken, och att använda dem med högre energi "låter oss titta på fler prover, prover som är tätare eller prover som är större, "Sa Dagel. De är svåra att göra, men Dagel sa att Sandias metallmikromaskinlag under ledning av Christian Arrington gör mycket enhetliga upp till 4 tum kvadrat. Det anses vara storskaligt, och Sandia kan göra galler som en stor bit med god enhetlighet, Hon sa. Gitterstorlek avgör hur mycket av ett prov som kan ses samtidigt.

De flesta andra grupper som studerar faskontraströntgenbilder undersöker tekniken för medicinsk bildbehandling, medan Sandia studerar det för materialvetenskapliga tillämpningar.

Galler gör Sandia -systemet möjligt

"Genom att prova det ljusa och mörka mönstret kan vi rekonstruera på detektorn hur detta mönster måste ha sett ut, "Sade Dagel." Det är om ljuset bara går igenom utan prov där. Tänk om jag lägger något nu som en apelsin, framför den? "Ljusvågen fördröjs ännu mer genom att gå igenom apelsinen, "så nu tog du den vågigheten och du gav den ännu mer form. Vi mäter hur denna vågfront, denna fas, ändras när det passerar genom provet. "

Hon tror att tekniken så småningom kommer att ha en enorm inverkan, både för forskning och kvalitetskontroll på fabriksgolvet.

"Jag tror att det kan vara användbart i forskningsfasen, när du försöker förstå fördelningen av mikropärlor i en epoxi eller hur skummet parar sig med behållaren som fylls på, finns det en lucka där? Eller vilka defekter kan jag se i mitt flygplansvingelaminat? "Sa hon." Jag tror också att det kan användas för kvalitetssäkring:jag vet hur min del ska se ut, men jag måste se till att det inte finns sprickor, det finns inga tomrum. "

Dagel och kollegor har presenterat sin forskning vid flera konferenser, inklusive International Workshop on X-ray and Neutron Phase Imaging with Gratings 2015 och SPIE Defense + Commercial Sensing-konferensen förra året.