I ricercatori del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno sviluppato un modo meno costoso e più efficiente per controllare i raggi X utilizzati per studiare i dettagli intricati delle batterie, celle solari, proteine ​​e tutti i tipi di materiali. I nuovi dispositivi sagomatori, inventato dall'ingegnere meccanico Brookhaven Sushil Sharma, può essere ricavato da un unico pezzo di rame, che riduce drasticamente il tempo e la complessità della loro costruzione – e il loro costo. Non c'è da meravigliarsi se le sorgenti luminose a raggi X in tutto il mondo, tra cui National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) di Brookhaven Lab, stanno iniziando a scegliere i nuovi modelli rispetto ai loro predecessori più complessi e costosi.

Sorgenti di luce di sincrotrone come NSLS-II, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, producono fasci di raggi X molto potenti muovendo il percorso degli elettroni che sfrecciano attraverso un anello circolare al 99,99 percento della velocità della luce. Le oscillazioni fanno sì che gli elettroni emettano raggi X, che vengono incanalati in linee di luce per consentire agli scienziati di studiare cose che non possiamo vedere ad occhio nudo, dalle cellule biologiche fino ai singoli atomi. Quando NSLS-II è completamente costruito, avrà più di sessanta linee di luce che fanno ricerca su molti argomenti diversi, dalle proteine ​​umane alla fotosintesi artificiale, batterie avanzate, e particelle di polvere interplanetaria.

"Trovo entusiasmante lavorare in una struttura in cui sono in corso ricerche che potrebbero cambiare la vita delle persone in futuro, " ha detto Sharma.

I fasci di raggi X prodotti da NSLS-II, però, sono molto potenti e devono essere ben controllati per fornire la giusta intensità a ciascuna linea di luce. Numerosi "dispositivi di intercettazione del raggio" assumono questo ruolo, ognuno svolge un lavoro leggermente diverso:dividere la trave, diminuendo la dimensione del raggio, o schermare i componenti sensibili al calore dai raggi X.

Convenzionalmente, gli ingegneri hanno costruito tutti questi dispositivi utilizzando più parti:una parte centrale in lega di rame, e terminali in acciaio inossidabile che formano una tenuta sottovuoto con la linea di luce. Sfortunatamente, questo design richiede molto tempo, processi ad alta temperatura per mettere insieme tutte le parti, e una costosa lega di rame proprietaria in grado di resistere al calore di produzione. Secondo Sharma, ci vogliono dai sei ai nove mesi per ottenere la lega e realizzare questi dispositivi.

"Facevamo così da 25 anni, ma l'intero processo richiedeva molto tempo e non era molto affidabile. Era un problema impegnativo per le strutture delle sorgenti luminose, " ha detto. "Ho iniziato a pensare:perché non realizziamo l'intero pezzo da un materiale? Ci sono voluti uno sforzo mirato nella progettazione e nei test, ma questo è il risultato".

Con l'aiuto degli ingegneri NSLS-II Christopher Amundsen, Frank De Paola, Lewis Destino, Muhammad Hussain, e Frank Lincoln nello sviluppo e nel test dei nuovi dispositivi, La visione di Sharma prese vita. Il nuovo design elimina i pezzi terminali in acciaio inossidabile, invece, il rame stesso è sagomato per fare una tenuta sotto vuoto con la linea di luce. Di conseguenza, i dispositivi sono realizzati da un unico pezzo di rame, eliminando il tempo, lavorazione ad alta temperatura e la necessità di un rame resistente al calore proprietario. Al posto del costoso materiale, il nuovo design utilizza una lega di rame ampiamente disponibile venduta a un quarto del costo. Globale, Il design di Sharma costa la metà dei dispositivi convenzionali, che variava da $ 5, 000 a $ 25, 000 ciascuno.

Il design monopezzo riduce inoltre notevolmente i tempi di produzione. Nel 2016, questo è stato messo alla prova al Brookhaven Lab quando i dispositivi convenzionali che erano stati ordinati in precedenza non sono arrivati ​​a causa di problemi di produzione. Avendo bisogno di una sostituzione rapida per far funzionare la linea di luce, il laboratorio ha realizzato i dispositivi in ​​un'officina meccanica in loco utilizzando il nuovo design di Sharma. Ci sono voluti solo dieci giorni per produrne tre, mentre anche il primo passo per ottenere la lega di rame resistente al calore per un dispositivo convenzionale avrebbe potuto richiedere mesi.

Una sorgente di luce di sincrotrone delle dimensioni di NSLS-II ha bisogno di circa 1, 000 di questi dispositivi di intercettazione del raggio, quindi questo nuovo design può far risparmiare molto tempo alle sorgenti luminose, soldi, e fatica. L'European Synchrotron Radiation Facility, una sorgente luminosa di dimensioni simili a NSLS-II, ha già commissionato quattrocento dispositivi utilizzando il design di Sharma.

Finora, NSLS-II ha incorporato quaranta dei nuovi dispositivi nelle sue linee di luce. E, dopo un anno di attività qui al Brookhaven Lab, disse Sharma, "i dispositivi stanno ancora facendo il loro lavoro perfettamente."