Amber Dagel, ricercatrice dei Sandia National Laboratories, tiene in mano un campione di calibrazione da caricare nella macchina di imaging a contrasto di fase a raggi X dei laboratori. Dagel è il ricercatore principale per il lavoro dei laboratori sull'utilizzo dell'imaging a contrasto di fase a raggi X per studiare materiali a bassa densità. Credito:Sandia National Laboratories/Randy Montoya
È difficile ottenere un'immagine a raggi X di materiale a bassa densità come il tessuto tra le ossa perché i raggi X passano proprio come la luce del sole attraverso una finestra. Ma cosa succede se hai bisogno di vedere l'area che non è ossea?
I Laboratori Nazionali Sandia studiano miriadi di materiali a bassa densità, dagli strati laminati nelle ali degli aeroplani alle schiume e agli epossidici che attutiscono le parti. Così Sandia prese in prestito e perfezionò una tecnica oggetto di studio in campo medico, Imaging a contrasto di fase a raggi X, per guardare dentro il lato più morbido delle cose senza smontarle.
Sandia deve essere in grado di individuare i difetti prima che possano causare un guasto con gravi conseguenze, perché i materiali non si comportano bene con vuoti o crepe o se si stanno separando dalle superfici adiacenti. Per esempio, i raggi X convenzionali non possono vedere un difetto chiamato grafoil negli strati laminati di un'ala di aeroplano senza rimuovere la rete protettiva di rame che diffonde energia se un fulmine colpisce l'aereo. E non possono vedere le schiume di importanza critica e altri materiali che proteggono dagli urti, rottura dell'alta tensione e sollecitazioni termiche nei componenti delle armi nucleari.
L'imaging a contrasto di fase a raggi X misura non solo il numero di fotoni di raggi X che attraversano il campione, come nell'imaging a raggi X convenzionale, ma anche la fase dei raggi X dopo il loro passaggio, offrendo uno sguardo completo alle interfacce all'interno di una struttura.
"Per i materiali a bassa densità come la plastica, polimeri, schiume e altri incapsulanti, questo segnale di fase può essere mille volte più grande del segnale di assorbimento (dei raggi X convenzionali), " ha detto il ricercatore principale Amber Dagel, che studia i microsistemi basati sulla fisica.
L'imaging a contrasto di fase a raggi X potrebbe essere utilizzato per ispezionare imballaggi di microfabbricazione, circuiti integrati o componenti microelettromeccanici e potrebbe essere utilizzato per studiare ceramiche, polimeri, prodotti chimici o esplosivi.
La tecnica di Sandia ha ottenuto l'imaging a contrasto di fase a raggi X in un laboratorio senza sincrotrone, un'attrezzatura costosa delle dimensioni di un campo da calcio.
È necessaria una tecnica più sensibile
Altre tecniche attuali non sono abbastanza sensibili per distinguere i materiali. "Hai un materiale denso mescolato con un materiale a bassa densità, e i raggi X tradizionali non possono vedere quel materiale a bassa densità, " Disse Dagel. "Quindi non sanno se i vuoti sono riempiti con materiali a bassa densità o se è aria."
Prendi un'arancia. Dagel ne aveva uno nel suo ufficio e, riconoscendo che in realtà sono solo materiali a bassa densità, lei e i suoi colleghi lo hanno immaginato per dimostrare il loro sistema.
Il sistema di imaging a contrasto di fase a raggi X dei Sandia National Laboratories si adatta a un tavolo da laboratorio. Il reticolo della sorgente si inserisce davanti al tubo a raggi X a destra, creando una serie di minuscole sorgenti di raggi X, che viaggiano verso il campione che siede sul ring. Dietro il campione ci sono i reticoli della fase e dell'analizzatore e il rivelatore. Credito:Laboratori Nazionali Sandia
Un'immagine a raggi X convenzionale di un'arancia è sfocata, senza dettagli. L'imaging a contrasto di fase a raggi X mostra chiaramente le differenze tra gli strati sottili di scorza e midollo e come appaiono questi strati rispetto alla polpa spessa.
"Quando la luce colpisce la scorza, si piega un po'. Colpisce il midollo e si piega un po' di più, poi passa attraverso la polpa, e si piega in un'altra direzione, " Disse Dagel. "Ogni interfaccia, ogni volta che il materiale cambia all'interno del campione, piega un po' la luce. Diverse parti del tuo campione piegano la luce in modo diverso, e misurare questo è ciò che dà origine all'immagine a contrasto di fase."
La ricerca di Sandia Labs è iniziata con un progetto di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio dal 2014 al 2016 che ha dimostrato che l'imaging a contrasto di fase a raggi X potrebbe mostrare i dettagli in cui un materiale incontra un altro. Un nuovo LDRD fa il passo successivo, imparare a realizzare reticoli che operano a energie dei raggi X più elevate.
grate, componenti ottici che sembrano mazzi di barre parallele verticali, creare interferenza nel fascio di raggi X, come un interferometro, fondere le fonti di luce per creare un modello di interferenza che può essere misurato.
Le grate sono fondamentali per la tecnica, e usandoli a energie più alte "ci permetterà di guardare più campioni, campioni più densi o campioni più grandi, " disse Dagel. Sono difficili da fare, ma Dagel ha affermato che il team di microlavorazione dei metalli di Sandia guidato da Christian Arrington realizza modelli altamente uniformi fino a 4 pollici quadrati. Questo è considerato su larga scala, e Sandia è in grado di realizzare grigliati in un unico pezzo con buona uniformità, lei disse. La dimensione del reticolo determina quanto di un campione può essere visto contemporaneamente.
La maggior parte degli altri gruppi che studiano l'imaging a raggi X a contrasto di fase stanno esaminando la tecnica per l'imaging medico, mentre Sandia lo sta studiando per applicazioni di scienza dei materiali.
Le grate rendono possibile il sistema Sandia
"Campionando lo schema luminoso e scuro siamo in grado di ricostruire sul rilevatore come doveva apparire questo schema, " Ha detto Dagel. "Questo è se la luce passa semplicemente senza alcun campione lì. E se ora mettessi qualcosa, come un'arancia, davanti?" L'onda luminosa è ancora più ritardata passando attraverso l'arancione, "così ora hai preso quell'ondulazione e gli hai dato ancora più forma. Stiamo misurando come questo fronte d'onda, questa fase, cambia mentre passa attraverso il campione."
Crede che la tecnica alla fine avrà un impatto enorme, sia per la ricerca che per il controllo qualità in fabbrica.
"Penso che possa essere utile in fase di ricerca, quando stai cercando di capire la distribuzione delle microsfere all'interno di una resina epossidica o come la schiuma si accoppia con il contenitore che si sta riempiendo, c'è un vuoto lì? O quali difetti posso vedere nel laminato della mia ala di aeroplano?" ha detto. "Penso che possa essere utilizzato anche nell'assicurazione della qualità:so come dovrebbe essere il mio pezzo, ma devo assicurarmi che non ci siano crepe, non ci sono vuoti".
Dagel e colleghi hanno presentato le loro ricerche a diverse conferenze, compreso l'International Workshop on X-ray and Neutron Phase Imaging with Gratings nel 2015 e la conferenza SPIE Defense + Commercial Sensing lo scorso anno.
