Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont produit et mesuré avec précision un spectre de rayons X à l'aide d'un nouveau machine à la pointe de la technologie. L'instrument qu'ils ont utilisé pour mesurer les rayons X a mis 20 ans à se développer, et aidera les scientifiques travaillant à l'agence à effectuer certaines des mesures les plus précises au monde de matériaux à utiliser dans tous les domaines, des ponts aux produits pharmaceutiques. Cela garantira également que les mesures des matériaux provenant d'autres laboratoires dans le monde sont aussi fiables que possible.

Le processus de construction de l'instrument pour effectuer les nouvelles mesures a été laborieux. "Ce nouvel instrument de précision spécialisé a nécessité à la fois une énorme quantité d'innovation mécanique et de modélisation théorique, " dit James Cline, chef de projet de l'équipe du NIST qui a construit la machine. "Le fait que nous ayons pu consacrer tant d'années et une telle expertise scientifique de haut niveau à ce projet reflète le rôle du NIST dans le monde de la science."

"La longueur d'onde d'un rayon X est une règle par laquelle nous pouvons mesurer les espacements des atomes dans les cristaux, " a déclaré Marcus Mendenhall, auteur principal d'un nouvel article dans le Journal of Physics B :Atomique, Physique moléculaire et optique qui applique le nouvel instrument à la mesure du spectre d'émission des rayons X du cuivre. "Nous connaissons mieux maintenant la longueur de notre règle, et toutes sortes de matériaux peuvent désormais être mesurés avec une précision améliorée."

La nouvelle machine permettra aux chercheurs de lier les mesures des espacements des réseaux avec une plus grande confiance à la définition du mètre dans le Système international d'unités (SI). Ce sont les comparaisons avec le compteur SI qui permettent une assurance qualité aux niveaux les plus petits et les plus précis.

Les mesures des chercheurs étaient cohérentes avec les résultats des 40 dernières années et ont capturé de nouveaux détails du spectre des rayons X. En plus des espacements des treillis, tous les éléments qui sont entrés dans la prise de mesures étaient entièrement traçables au SI, garantir l'exactitude et la fiabilité des mesures.

Le travail aux rayons X est souvent associé à des soins médicaux, mais les instruments à rayons X sont également largement utilisés dans le commerce, car ils peuvent aider à identifier et à caractériser un large éventail de substances courantes, y compris le ciment, métaux, céramique, électronique et médicaments.

Dans les applications médicales et industrielles, Les rayons X offrent aux scientifiques un moyen de voir l'intérieur de la matière. Dans le cas des personnes blessées, cela pourrait signifier regarder à l'intérieur d'un corps pour voir des problèmes tels que des os cassés. Les rayons X sont également utilisés, cependant, pour visualiser la structure atomique des substances via une méthode connue sous le nom de diffraction.

La diffraction des poudres, qui consiste à broyer une substance et à la placer dans un appareil à rayons X de précision pour analyse, est devenue une technique analytique omniprésente en science. Il y en a maintenant plus de 30, 000 diffractomètres de laboratoire utilisés pour visualiser les cristaux à l'aide de rayons X avec des méthodes de diffraction des poudres dans le monde. En outre, il existe plusieurs centaines de diffractomètres à poudre dans le monde qui utilisent des types de rayonnement non conventionnels tels que ceux provenant de sources synchrotron et de neutrons.

Le NIST produit des matériaux de référence standard (SRM) pour la recherche industrielle et universitaire, et ils sont essentiels pour les programmes d'assurance qualité et pour vérifier l'exactitude de mesures spécifiques. L'agence produit également des valeurs de référence nécessaires à l'étalonnage des instruments à rayons X de laboratoire dans le monde entier. Ce nouveau, machine de haute précision jouera un rôle important dans l'avenir des deux entreprises.

Les rayons X produits par le nouvel instrument, les raies K-alpha du cuivre, ne sont pas différents de ceux produits par d'innombrables autres machines à rayons X. Ils sont produits en tirant des électrons sur une cible en cuivre. Qu'est-ce qui est différent, cependant, est que des années d'ingénierie et de calcul ont donné naissance à un instrument capable de balayer un cercle complet autour de l'échantillon avec une précision extraordinaire. En outre, il est équipé d'une caméra à rayons X qui donne des informations beaucoup plus riches que les détecteurs traditionnels, et fournit des contrôles d'auto-cohérence pour l'alignement de l'échantillon et réduit les incertitudes systémiques. L'instrument a été construit dans un laboratoire souterrain doté d'une température étroitement contrôlée, ce qui permet des mesures extrêmement précises.

L'une des réalisations les plus fières de l'équipe était le goniomètre bien caractérisé de l'instrument, qui est la partie utilisée pour la mesure des angles entre les faces des cristaux qui constituent des échantillons typiques de matériaux solides. La machine est calibrée selon la méthode de fermeture du cercle, une technique qui utilise des comparaisons multiples des différences entre deux ou plusieurs échelles angulaires, tournés à plusieurs reprises les uns par rapport aux autres pour déterminer les incertitudes de mesure dans chaque échelle. Cette, en conjonction avec une large plage de balayage, permet une mesure précise de l'angle entre les cristaux et, donc, le spectre des rayons X, sans perturber l'alignement des cristaux.

Mendenhall et Cline prévoient maintenant de mettre à jour les mesures de nombreux SRM ainsi que d'autres lignes de rayons X importantes (à partir de matériaux autres que le cuivre) dans le catalogue du NIST à l'aide de leur nouvelle machine. Ce processus prendra du temps, car ce type de mesure aux rayons X peut prendre des semaines, voire des mois. Heureusement, la plupart de la tâche n'implique qu'une petite quantité d'interaction humaine, puisque la machine est automatisée une fois qu'une mesure a commencé, permettant aux scientifiques de continuer à rechercher d'autres sujets pendant que la machine fait son travail.

"Le but n'était pas de faire une machine que le reste du monde et les entités commerciales puissent imiter et fabriquer elles-mêmes, mais plutôt, faire une machine qui puisse donner à chacun la meilleure réponse aux questions de mesure, " a déclaré Mendenhall.