Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory har utvecklat ett billigare och mer effektivt sätt att kontrollera röntgenstrålar som används för att studera de invecklade detaljerna i batterier, solceller, proteiner och alla möjliga material. De nya strålformande enheterna, uppfanns av Brookhavens mekaniska ingenjör Sushil Sharma, kan göras av en enda kopparbit, vilket dramatiskt minskar tiden och komplexiteten för deras konstruktion – och deras kostnad. Det är inte konstigt att röntgenljuskällor runt om i världen, inklusive Brookhaven Labs National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), börjar välja den nya designen framför sina mer komplexa och dyra föregångare.

Synkrotronljuskällor som NSLS-II, en användaranläggning för DOE Office of Science, producera mycket kraftfulla strålar av röntgenstrålar genom att vicka på banan för elektroner som rusar genom en cirkulär ring med 99,99 procent av ljusets hastighet. Vickningarna får elektronerna att avge röntgenstrålar, som kanaliseras in i strållinjer för att tillåta forskare att studera saker vi inte kan se med blotta ögat – från biologiska celler hela vägen ner till enskilda atomer. När NSLS-II är färdigbyggd, den kommer att ha mer än sextio strållinjer som gör forskning om många olika ämnen, från mänskliga proteiner till artificiell fotosyntes, avancerade batterier, och interplanetära dammpartiklar.

"Jag tycker att det är spännande att arbeta i en anläggning där det pågår forskning som kan förändra människors liv i framtiden, sa Sharma.

Strålarna av röntgenstrålar som NSLS-II producerar, dock, är mycket kraftfulla och måste vara välkontrollerade för att leverera rätt intensitet till varje strållinje. Många "stråleavlyssningsanordningar" tar på sig denna roll, var och en utför ett lite olika jobb:dela upp strålen, minskar strålens storlek, eller avskärmning av värmekänsliga komponenter från röntgenstrålning.

Konventionellt, ingenjörer konstruerade alla dessa enheter med hjälp av flera delar - en mittdel gjord av en kopparlegering, och ändstycken av rostfritt stål som bildar en vakuumtätning med strållinjen. Tyvärr, denna design kräver tidskrävande, högtemperaturprocesser för att sätta ihop alla delar, och en dyr egenutvecklad kopparlegering som tål produktionens hetta. Enligt Sharma, det tar allt från sex till nio månader att få fram legeringen och tillverka dessa enheter.

"Vi hade gjort det så här i 25 år, men hela processen var tidskrävande och inte särskilt tillförlitlig. Det var ett utmanande problem för ljuskällan, " sa han. "Jag började tänka - varför gör vi inte hela stycket av ett material? Det tog lite fokuserad ansträngning i design och testning, men detta är resultatet."

Med hjälp av NSLS-II ingenjörer Christopher Amundsen, Frank DePaola, Lewis Doom, Muhammad Hussain, och Frank Lincoln i att utveckla och testa de nya enheterna, Sharmas vision kom till liv. Den nya designen tar bort ändstyckena av rostfritt stål – istället, själva kopparn är formad för att göra en tät vakuumförsegling med strållinjen. Som ett resultat, enheterna är gjorda av en enda kopparbit, eliminera den tidskrävande, högtemperaturbearbetning och behovet av en egenutvecklad värmebeständig koppar. I stället för det kostsamma materialet, den nya designen använder en allmänt tillgänglig kopparlegering som säljs till en fjärdedel av kostnaden. Övergripande, Sharmas design är halva priset av konventionella enheter, som varierade från $5, 000 till $25, 000 styck.

Designen i ett stycke minskar också produktionstiden avsevärt. 2016, detta testades på Brookhaven Lab när konventionella enheter som tidigare hade beställts inte kom fram på grund av tillverkningsproblem. Behöver ett snabbt byte för att få strållinjen att fungera, labbet tillverkade enheterna i en maskinverkstad på plats med Sharmas nya design. Det tog dem bara tio dagar att producera tre, medan även det första steget att erhålla den värmebeständiga kopparlegeringen för en konventionell anordning kunde ha tagit månader.

En synkrotronljuskälla av storleken NSLS-II behöver cirka 1, 000 av dessa strålfångande enheter, så denna nya design kan spara ljuskällor avsevärd tid, pengar, och ansträngning. European Synchrotron Radiation Facility – en ljuskälla som liknar storleken NSLS-II – har redan beställt fyrahundra enheter med Sharmas design.

Än så länge, NSLS-II har införlivat fyrtio av de nya enheterna i sina strållinjer. Och, efter ett års verksamhet här på Brookhaven Lab, sa Sharma, "enheterna gör fortfarande sitt jobb perfekt."