I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno prodotto e misurato con precisione uno spettro di raggi X utilizzando un nuovo, macchina all'avanguardia. Lo strumento che hanno usato per misurare i raggi X ha impiegato 20 anni per svilupparsi, e aiuterà gli scienziati che lavorano presso l'agenzia a effettuare alcune delle misurazioni più accurate al mondo di materiali da utilizzare in qualsiasi cosa, dai ponti ai prodotti farmaceutici. Garantirà inoltre che le misurazioni dei materiali di altri laboratori in tutto il mondo siano il più affidabili possibile.

Il processo di costruzione dello strumento per effettuare le nuove misurazioni è stato scrupoloso. "Questo nuovo strumento di precisione specializzato ha richiesto sia un'enorme quantità di innovazione meccanica che di modellazione teorica, "ha detto James Cline, capo progetto del team del NIST che ha costruito la macchina. "Il fatto che siamo stati in grado di dedicare così tanti anni e un'esperienza scientifica di così alto livello a questo progetto riflette il ruolo del NIST nel mondo della scienza".

"La lunghezza d'onda di un raggio X è un righello con cui possiamo misurare le distanze degli atomi nei cristalli, " disse Marcus Mendenhall, autore principale di un nuovo articolo nel Journal of Physics B:Atomico, Fisica molecolare e ottica che applica il nuovo strumento alla misura dello spettro di emissione dei raggi X del rame. "Ora conosciamo meglio la lunghezza del nostro sovrano, e tutti i tipi di materiali possono ora essere misurati con maggiore precisione."

La nuova macchina consentirà ai ricercatori di collegare con maggiore sicurezza le misurazioni delle distanze reticolari alla definizione del metro nel Sistema Internazionale di Unità (SI). Sono i confronti con il misuratore SI che consentono di garantire la qualità ai livelli più piccoli e precisi.

Le misurazioni dei ricercatori erano coerenti con i risultati degli ultimi 40 anni e hanno catturato nuovi dettagli dello spettro dei raggi X. Oltre alle distanze del reticolo, tutti gli elementi che sono stati utilizzati per effettuare le misurazioni erano completamente riconducibili al SI, garantire la precisione e l'affidabilità delle misurazioni.

Il lavoro a raggi X è spesso associato alle cure mediche, ma gli strumenti a raggi X trovano largo impiego anche in commercio, in quanto possono aiutare a identificare e caratterizzare un'ampia gamma di sostanze comuni, compreso il cemento, metalli, ceramica, elettronica e medicinali.

Sia nelle applicazioni mediche che industriali, I raggi X forniscono agli scienziati un modo per vedere all'interno della materia. Nel caso di persone ferite, ciò potrebbe significare guardare all'interno di un corpo per vedere problemi come le ossa rotte. Vengono utilizzati anche i raggi X, però, per visualizzare la struttura atomica delle sostanze tramite un metodo noto come diffrazione.

La diffrazione da polvere, che comporta la macinazione di una sostanza e il suo inserimento in una macchina a raggi X di precisione per l'analisi, è diventata una tecnica analitica onnipresente nella scienza. Ora sono più di 30, 000 diffrattometri di laboratorio utilizzati per visualizzare i cristalli utilizzando i raggi X con metodi di diffrazione da polvere in tutto il mondo. Inoltre, ci sono diverse centinaia di diffrattometri da polvere in tutto il mondo che utilizzano tipi di radiazioni non convenzionali come quelle provenienti da sorgenti di sincrotrone e neutroni.

Il NIST produce materiali di riferimento standard (SRM) per l'industria e la ricerca accademica, e sono essenziali per i programmi di assicurazione della qualità e per verificare l'accuratezza di misurazioni specifiche. L'agenzia produce anche i valori di riferimento necessari per la calibrazione degli strumenti a raggi X di laboratorio in tutto il mondo. Questo nuovo, macchina di alta precisione giocherà un ruolo importante nel futuro di entrambe le imprese.

I raggi X che il nuovo strumento produce, le linee K-alfa del rame, non sono diversi da quelli prodotti da innumerevoli altre macchine a raggi X. Sono prodotti sparando elettroni su un bersaglio di rame. Ciò che è diverso, però, è che anni di ingegneria e calcolo hanno prodotto uno strumento in grado di scansionare un cerchio completo attorno al campione con una precisione straordinaria. Inoltre, è dotato di una telecamera a raggi X che fornisce informazioni molto più ricche rispetto ai rilevatori tradizionali, e fornisce controlli di autoconsistenza per l'allineamento del campione e riduce le incertezze sistemiche. Lo strumento è stato costruito in un laboratorio sotterraneo caratterizzato da una temperatura strettamente controllata, che consente misurazioni estremamente accurate.

Uno dei risultati più orgogliosi del team è stato il goniometro ben caratterizzato dello strumento, che è la parte utilizzata per la misura degli angoli tra le facce dei cristalli che compongono tipici campioni di materiali solidi. La macchina viene tarata con il metodo della chiusura del cerchio, una tecnica che utilizza confronti multipli delle differenze tra due o più scale angolari, ripetutamente ruotate l'una rispetto all'altra per determinare le incertezze di misura in ciascuna scala. Questo, in combinazione con un'ampia gamma di scansione, permette una misurazione accurata dell'angolo tra i cristalli e, perciò, lo spettro dei raggi X, senza disturbare l'allineamento dei cristalli.

Mendenhall e Cline stanno ora pianificando di aggiornare le misurazioni di molti SRM e di altre importanti linee di raggi X (da materiali diversi dal rame) nel catalogo NIST utilizzando la loro nuova macchina. Questo processo richiederà tempo, poiché questo tipo di misurazione a raggi X può richiedere settimane o addirittura mesi. Fortunatamente, la maggior parte del compito coinvolge solo una piccola quantità di interazione umana, poiché la macchina è automatizzata una volta iniziata una misurazione, permettendo agli scienziati di continuare a ricercare altri argomenti mentre la macchina fa il suo lavoro.

"L'obiettivo non era quello di realizzare una macchina che il resto del mondo e le entità commerciali potessero imitare e realizzare da sole, ma piuttosto, realizzare una macchina che possa dare a tutti la migliore risposta alle domande di misura, " disse Mendenhall.