É difícil obter uma imagem de raios-X de um material de baixa densidade, como tecido entre os ossos, porque os raios-X simplesmente passam direto como a luz do sol por uma janela. Mas e se você precisar ver a área que não é osso?

Sandia National Laboratories estuda miríades de materiais de baixa densidade, de camadas laminadas em asas de aviões a espumas e epóxis que amortecem as peças. Então, Sandia pegou emprestado e refinou uma técnica que está sendo estudada pela área médica, Imagem de contraste de fase de raios-X, para ver o lado mais suave das coisas sem desmontá-las.

Sandia deve ser capaz de detectar defeitos antes que eles possam causar uma falha de alta consequência, porque os materiais não funcionam bem com vazios ou rachaduras ou se eles estão se separando de superfícies adjacentes. Por exemplo, raios-X convencionais não conseguem ver um defeito chamado grafoil nas camadas laminadas de uma asa de avião sem remover a malha de cobre protetora que difunde energia se um raio atingir o avião. E eles não podem ver as espumas criticamente importantes e outros materiais que protegem contra choques, ruptura de alta tensão e tensões térmicas em componentes de armas nucleares.

A imagem de contraste de fase de raios-X mede não apenas o número de fótons de raios-X que passam pela amostra, como na imagem convencional de raios-X, mas também a fase dos raios-X depois que eles passam, oferecendo uma visão completa das interfaces dentro de uma estrutura.

"Para materiais de baixa densidade como plásticos, polímeros, espumas e outros encapsulantes, este sinal de fase pode ser mil vezes maior que o sinal de absorção (do raio X convencional), "disse o investigador principal Amber Dagel, que estuda microssistemas baseados na física.

A imagem de contraste de fase de raios-X pode ser usada para inspecionar embalagens de microfabricação, circuitos integrados ou componentes microeletromecânicos e podem ser usados ​​para estudar cerâmica, polímeros, produtos químicos ou explosivos.

A técnica de Sandia obteve imagens de contraste de fase de raios-X em um laboratório sem um síncrotron, um equipamento caro do tamanho de um campo de futebol.

É necessária uma técnica mais sensível

Outras técnicas atuais não são sensíveis o suficiente para distinguir entre os materiais. "Você tem um material denso misturado com um material de baixa densidade, e os raios X tradicionais não podem ver esse material de baixa densidade, "Dagel disse." Então eles não sabem se as lacunas são preenchidas com os materiais de baixa densidade ou se isso é ar.

Pegue uma laranja. Dagel tinha um em seu escritório e, reconhecendo que são apenas materiais de baixa densidade, ela e seus colegas criaram imagens para demonstrar seu sistema.

Uma imagem convencional de raios-X de uma laranja é difusa, sem detalhes. A imagem de contraste de fase de raios-X mostra claramente as diferenças entre as camadas finas de casca e medula e como essas camadas parecem em comparação com a polpa espessa.

"Quando a luz atinge as raspas, ele se dobra um pouco. Ela atinge a medula e dobra um pouco mais, então passa pela polpa, e dobra em outra direção, "Dagel disse." Cada interface, cada vez que o material muda dentro da amostra, desvia um pouco a luz. Diferentes partes de sua amostra dobram a luz de maneira diferente, e medir isso é o que dá origem à imagem de contraste de fase. "

A pesquisa do Sandia Labs começou com um projeto de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório de 2014-2016 que demonstrou que a imagem de contraste de fase de raios-X pode mostrar detalhes onde um material encontra o outro. Um novo LDRD dá a próxima etapa, aprender a fazer grades que operam em energias de raios-X mais elevadas.

Gratings, componentes ópticos que se parecem com feixes de barras paralelas verticais, criam interferência no feixe de raios-X, como um interferômetro, fundir fontes de luz para criar um padrão de interferência que pode ser medido.

Gratings são essenciais para a técnica, e usá-los em energias mais elevadas "nos permitirá examinar mais amostras, amostras mais densas ou amostras maiores, "Dagel disse. Eles são difíceis de fazer, mas Dagel disse que a equipe de microusinagem de metal de Sandia liderada por Christian Arrington fabrica máquinas altamente uniformes de até 10 centímetros quadrados. Isso é considerado em grande escala, e Sandia é capaz de fazer grades como uma grande peça com boa uniformidade, ela disse. O tamanho da grade determina quanto de uma amostra pode ser visto de uma vez.

A maioria dos outros grupos que estudam imagens de raios-X com contraste de fase estão investigando a técnica para imagens médicas, enquanto Sandia está estudando para aplicações em ciência de materiais.

Gratings tornam o sistema Sandia possível

"Ao amostrar o padrão claro e escuro, podemos reconstruir no detector a aparência desse padrão, - disse Dagel. - Isso se a luz passar sem nenhuma amostra ali. E se agora eu colocar algo, como uma laranja, na frente dele? "A onda de luz é ainda mais atrasada passando pelo laranja, "então agora você pegou aquela ondulação e deu ainda mais forma. Estamos medindo como essa frente de onda, esta fase, muda à medida que passa pela amostra. "

Ela acredita que a técnica eventualmente terá um impacto enorme, tanto para pesquisa quanto para controle de qualidade no chão de fábrica.

"Acho que pode ser útil na fase de pesquisa, quando você está tentando entender a distribuição de microesferas dentro de um epóxi ou como a espuma se encaixa com o recipiente que está enchendo, existe uma lacuna aí? Ou que defeitos posso ver no laminado de minha asa de avião? ", Disse ela." Também acho que pode ser usado na garantia de qualidade:sei como minha peça deve ser, mas preciso ter certeza de que não há rachaduras, não há vazios. "

Dagel e colegas apresentaram suas pesquisas em várias conferências, incluindo o Workshop Internacional de Imagem de Raios-X e Neutron Phase with Gratings em 2015 e a conferência SPIE Defense + Commercial Sensing no ano passado.