Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) produziram e mediram com precisão um espectro de raios-X usando um novo, máquina de última geração. O instrumento que eles usaram para medir os raios-X levou 20 anos para ser desenvolvido, e ajudará os cientistas que trabalham na agência a fazer algumas das medições mais precisas do mundo de materiais para uso em tudo, desde pontes a produtos farmacêuticos. Isso também garantirá que as medições dos materiais de outros laboratórios ao redor do mundo sejam o mais confiáveis ​​possível.

O processo de construção do instrumento para fazer as novas medições foi árduo. "Este novo instrumento de precisão especializado exigiu uma enorme quantidade de inovação mecânica e modelagem teórica, "disse James Cline, líder do projeto da equipe do NIST que construiu a máquina. "O fato de termos sido capazes de dedicar tantos anos e tal conhecimento científico de alto nível a este projeto reflete o papel do NIST no mundo da ciência."

"O comprimento de onda de um raio-X é uma régua pela qual podemos medir o espaçamento dos átomos nos cristais, "disse Marcus Mendenhall, autor principal de um novo artigo no Journal of Physics B:Atomic, Física Molecular e Óptica que aplica o novo instrumento à medição do espectro de emissão de raios-X de cobre. "Agora sabemos melhor o comprimento de nossa régua, e todos os tipos de materiais agora podem ser medidos com maior precisão. "

A nova máquina permitirá aos pesquisadores vincular as medidas dos espaçamentos da rede com maior confiança à definição do medidor no Sistema Internacional de Unidades (SI). São as comparações com o medidor SI que permitem a garantia de qualidade nos níveis menores e mais precisos.

As medições dos pesquisadores foram consistentes com os resultados dos últimos 40 anos e capturaram novos detalhes do espectro de raios-X. Além dos espaçamentos da rede, todos os elementos que fizeram as medições eram totalmente rastreáveis ​​ao SI, garantindo a precisão e confiabilidade das medições.

O trabalho de raio-X é frequentemente associado a cuidados médicos, mas os instrumentos de raio-X também são amplamente usados ​​no comércio, pois podem ajudar a identificar e caracterizar uma ampla gama de substâncias comuns, incluindo cimento, metais, cerâmica, eletrônicos e medicamentos.

Em aplicações médicas e industriais, Os raios X fornecem aos cientistas uma maneira de ver o interior da matéria. No caso de humanos feridos, isso pode significar olhar dentro de um corpo para ver problemas como ossos quebrados. Raios-X também são usados, Contudo, para visualizar a estrutura atômica das substâncias por meio de um método conhecido como difração.

A difração de pó - que envolve triturar uma substância e colocá-la em uma máquina de raios X de precisão para análise - tornou-se uma técnica analítica onipresente na ciência. Existem agora mais de 30, 000 difratômetros de laboratório sendo usados ​​para visualizar cristais por meio de raios-X com métodos de difração de pó em todo o mundo. Além disso, Existem várias centenas de difratômetros de pó em todo o mundo que utilizam tipos não convencionais de radiação, como as de fontes síncrotron e de nêutrons.

O NIST produz Materiais de Referência Padrão (SRMs) para a indústria e pesquisa acadêmica, e são essenciais para programas de garantia de qualidade e para verificar a precisão de medições específicas. A agência também produz valores de referência necessários para calibrar instrumentos de raio-X de laboratório em todo o mundo. Esta nova, máquina de alta precisão desempenhará um grande papel no futuro de ambas as empresas.

Os raios X que o novo instrumento produz, as linhas K-alfa de cobre, não são diferentes daqueles produzidos por inúmeras outras máquinas de raios-X. Eles são produzidos disparando elétrons em um alvo de cobre. O que está diferente, Contudo, é que anos de engenharia e cálculos produziram um instrumento que pode varrer um círculo completo ao redor da amostra com uma precisão extraordinária. Adicionalmente, é equipado com uma câmera de raios-X que fornece informações muito mais ricas do que os detectores tradicionais, e fornece verificações de autoconsistência para alinhamento da amostra e reduz incertezas sistêmicas. O instrumento foi construído em um laboratório subterrâneo com temperatura controlada de perto, o que permite medições extremamente precisas.

Uma das realizações de maior orgulho da equipe foi o goniômetro bem caracterizado do instrumento, que é a parte utilizada para a medição dos ângulos entre as faces dos cristais que compõem amostras típicas de materiais sólidos. A máquina é calibrada usando o método de fechamento de círculo, uma técnica que usa múltiplas comparações das diferenças entre duas ou mais escalas angulares, girado repetidamente um em relação ao outro para determinar as incertezas de medição em cada escala. Esse, em conjunto com uma ampla gama de varredura, permite a medição precisa do ângulo entre os cristais e, Portanto, o espectro de raios-X, sem perturbar o alinhamento do cristal.

Mendenhall e Cline estão agora planejando atualizar as medições de muitos SRMs, bem como outras linhas de raios-X importantes (de materiais que não sejam cobre) no catálogo do NIST usando sua nova máquina. Esse processo vai levar tempo, já que este tipo de medição de raios-X pode levar semanas ou até meses. Felizmente, a maior parte da tarefa envolve apenas uma pequena quantidade de interação humana, já que a máquina é automatizada assim que uma medição começa, permitindo que os cientistas continuem pesquisando outros tópicos enquanto a máquina faz seu trabalho.

“O objetivo não era fazer uma máquina que o resto do mundo e entidades comerciais possam imitar e fazer, mas sim, para fazer uma máquina que pode dar a todos as melhores respostas às perguntas de medição, "disse Mendenhall.