Il est difficile d'obtenir une image radiographique d'un matériau de faible densité comme le tissu entre les os parce que les rayons X passent juste à travers comme la lumière du soleil à travers une fenêtre. Mais que faire si vous avez besoin de voir la zone qui n'est pas osseuse ?

Sandia National Laboratories étudie des myriades de matériaux à faible densité, des couches de stratifié dans les ailes d'avion aux mousses et aux époxydes qui amortissent les pièces. Sandia a donc emprunté et affiné une technique étudiée par le domaine médical, Imagerie à contraste de phase aux rayons X, regarder à l'intérieur du côté le plus doux des choses sans les démonter.

Sandia doit être capable de détecter les défauts avant qu'ils ne provoquent une défaillance lourde de conséquences, parce que les matériaux ne fonctionnent pas bien avec les vides ou les fissures ou s'ils se séparent des surfaces adjacentes. Par exemple, les rayons X conventionnels ne peuvent pas voir un défaut appelé grafoil dans les couches de stratifié d'une aile d'avion sans enlever le maillage de cuivre protecteur qui diffuse l'énergie si la foudre frappe l'avion. Et ils ne peuvent pas voir les mousses et autres matériaux d'une importance critique qui protègent contre les chocs, claquage à haute tension et contraintes thermiques dans les composants d'armes nucléaires.

L'imagerie par contraste de phase aux rayons X mesure non seulement le nombre de photons de rayons X qui traversent l'échantillon, comme en imagerie radiographique classique, mais aussi la phase des rayons X après leur passage, offrant un regard complet sur les interfaces à l'intérieur d'une structure.

"Pour les matériaux à faible densité comme les plastiques, polymères, mousses et autres encapsulants, ce signal de phase peut être mille fois plus grand que le signal d'absorption (des rayons X conventionnels), " a déclaré la chercheuse principale Amber Dagel, qui étudie les microsystèmes basés sur la physique.

L'imagerie par contraste de phase aux rayons X pourrait être utilisée pour inspecter les emballages de microfabrication, circuits intégrés ou composants micro-électro-mécaniques et pourraient être utilisés pour étudier les céramiques, polymères, produits chimiques ou explosifs.

La technique de Sandia a permis d'obtenir une imagerie par contraste de phase aux rayons X dans un laboratoire sans synchrotron, un équipement coûteux de la taille d'un terrain de football.

Technique plus sensible nécessaire

Les autres techniques actuelles ne sont pas assez sensibles pour distinguer les matériaux. "Vous avez un matériau dense mélangé à un matériau de faible densité, et les rayons X traditionnels ne peuvent pas voir ce matériau à faible densité, " a déclaré Dagel. "Donc, ils ne savent pas si les espaces sont remplis de matériaux à faible densité ou si c'est de l'air."

Prenez une orange. Dagel en avait un dans son bureau et, reconnaître qu'il ne s'agit en réalité que de matériaux à faible densité, elle et ses collègues l'ont imagé pour démontrer leur système.

Une image radiographique conventionnelle d'une orange est floue, sans détail. L'imagerie par contraste de phase aux rayons X montre clairement les différences entre les fines couches de zeste et de moelle et l'apparence de ces couches par rapport à la pulpe épaisse.

"Quand la lumière frappe le zeste, ça plie un peu. Il frappe la moelle et il se plie un peu plus, puis il passe par la pulpe, et il se penche dans une autre direction, " a déclaré Dagel. " Chaque interface, chaque fois que le matériau change dans l'échantillon, ça courbe un peu la lumière. Différentes parties de votre échantillon courbent la lumière différemment, et mesurer c'est ce qui donne naissance à l'image de contraste de phase."

Les recherches de Sandia Labs ont commencé avec un projet de recherche et développement dirigé par un laboratoire de 2014 à 2016 qui a démontré que l'imagerie par contraste de phase aux rayons X pouvait montrer des détails là où un matériau en rencontre un autre. Un nouveau LDRD passe à l'étape suivante, apprendre à faire des réseaux qui fonctionnent à des énergies de rayons X plus élevées.

Caillebotis, composants optiques qui ressemblent à des grappes de barres parallèles verticales, créer des interférences dans le faisceau de rayons X, comme un interféromètre, fusionner des sources de lumière pour créer un motif d'interférence qui peut être mesuré.

Les caillebotis sont essentiels à la technique, et les utiliser à des énergies plus élevées "nous permettra d'examiner plus d'échantillons, échantillons plus denses ou échantillons plus gros, " a déclaré Dagel. Ils sont difficiles à faire, mais Dagel a déclaré que l'équipe de micro-usinage des métaux de Sandia dirigée par Christian Arrington en fabrique des très uniformes jusqu'à 4 pouces carrés. C'est considéré comme à grande échelle, et Sandia est capable de faire des caillebotis en une seule grande pièce avec une bonne uniformité, elle a dit. La taille du réseau détermine la quantité d'un échantillon qui peut être vu à la fois.

La plupart des autres groupes qui étudient l'imagerie par rayons X en contraste de phase étudient la technique de l'imagerie médicale, tandis que Sandia l'étudie pour des applications en science des matériaux.

Les caillebotis rendent le système Sandia possible

"En échantillonnant le motif lumineux et sombre, nous sommes en mesure de reconstruire sur le détecteur à quoi ce motif a dû ressembler, " Dit Dagel. " C'est si la lumière passe juste sans échantillon là-bas. Et si maintenant je mettais quelque chose, comme une orange, devant elle?" L'onde lumineuse est encore plus retardée en passant par l'orange, "Alors maintenant vous avez pris cette ondulation et vous lui avez donné encore plus de forme. Nous mesurons comment ce front d'onde, cette étape, change au fur et à mesure qu'il traverse l'échantillon."

Elle pense que la technique finira par avoir un impact énorme, à la fois pour la recherche et le contrôle qualité en usine.

"Je pense que cela peut être utile dans la phase de recherche, lorsque vous essayez de comprendre la répartition des microbilles dans un époxy ou comment la mousse s'accouple avec la cartouche qu'elle remplit, y a-t-il un écart ? Ou quels défauts puis-je voir dans mon stratifié d'aile d'avion ?", a-t-elle déclaré. "Je pense également que cela peut être utilisé pour l'assurance qualité :je sais à quoi devrait ressembler ma pièce, mais je dois m'assurer qu'il n'y a pas de fissures, il n'y a pas de vide."

Dagel et ses collègues ont présenté leurs recherches lors de plusieurs conférences, dont l'International Workshop on X-ray and Neutron Phase Imaging with Gratings en 2015 et la conférence SPIE Defence + Commercial Sensing l'année dernière.