Os pesquisadores usam raios-X muônicos para encontrar a composição elementar de amostras sem danificá-las

Figura 1. Uma imagem 3D de uma amostra de carbono, obtida usando o novo método do pesquisador e sem danificar a amostra. Crédito:Universidade de Osaka

Ao combinar tecnologias originalmente projetadas para aceleradores de partículas de alta energia e observações astronômicas, os pesquisadores podem agora pela primeira vez analisar a composição elementar de amostras sem danificá-las, o que pode ser útil para pesquisadores que trabalham em outros campos, como arqueologia, relata um novo estudo. em Relatórios Científicos .
Os múons são uma das muitas partículas elementares do universo, atualmente usadas como feixes de múons em experimentos de aceleradores de alta energia por físicos. Mas pesquisadores de outras áreas também se interessaram por múons por causa de seu potencial para analisar a composição elementar de amostras preciosas, como o interior de meteoritos.

A espectroscopia de fluorescência de raios-X é amplamente utilizada em campos como arqueologia e ciência planetária, mas eles só podem analisar a composição elementar de amostras próximas à superfície e não podem quantificar com precisão elementos leves como o carbono.

Os múons têm uma vantagem sobre os métodos atuais. Quando um múon negativo é capturado por um material irradiado, um átomo muônico é criado. Os raios-X muônicos emitidos pelos novos átomos muônicos têm alta energia e podem ser detectados com alta sensibilidade sem serem absorvidos pela própria amostra.

Ao ajustar a energia dos múons acelerados por aceleradores de alta energia, os pesquisadores conseguiram analisar amostras em um nível unidimensional.

Que equipe de pesquisadores, liderada pelo Pesquisador do Projeto do Centro de Pesquisa de Radioisótopos da Universidade de Osaka I-Huan Chiu e Professor Associado Kazuhiko Ninomiya, Instituto Kavli para a Física e Matemática do Projeto do Universo Professor Assistente Shin'ichiro Takeda e Professor da Organização de Pesquisa do Acelerador de Alta Energia Yasuhiro Miyake fez foi combinar isso com um detector de fita dupla face de telureto de cádmio (CdTe-DSD), que foi originalmente projetado para análise de imagens bidimensionais para medições de raios X e raios γ no espaço, para desenvolver um método que permite ao usuário criar uma imagem tridimensional da composição elementar de uma amostra.

Figura 2. A configuração do experimento de imagem envolve quatro bolas de polipropileno que são irradiadas com um feixe de múon negativo. Os raios-x do múon resultantes seriam analisados pelo sensor CdTe-DSD através do colimador pinhole para criar uma imagem 2D. Crédito:Universidade de Osaka
Figura 3. Espectro de energia da amostra e do suporte de alumínio, usando um detector de fita dupla face de telureto de cádmio e raios-x muônicos. Crédito:Universidade de Osaka

Para testar sua análise elementar 3D não destrutiva baseada em raios-X muônicos e um CdTe-DSD, os pesquisadores montaram seu experimento na linha de luz de muões D2 do Muon Science Establishment (MUSE) em J-PARC, um acelerador de prótons de alta intensidade instalação ao norte de Tóquio.

A configuração envolveu a preparação de duas bolas de plástico esféricas pequenas e duas maiores, que foram giradas com um tamanho de passo de 22,5 graus cada vez durante a irradiação do múon. Uma rotação completa criou um total de 16 imagens gravadas pelo CdTe-DSD, e um algoritmo normalmente usado em medicina usado para reconstruir uma imagem 3D da amostra.

Figura 4. Imagens de projeção das amostras tiradas pelo detector de fita dupla face CdTe em diferentes ângulos de rotação, juntamente com o posicionamento real das amostras. Crédito:Universidade de Osaka

Os resultados mostraram claramente que havia dois tipos de bolas com tamanhos diferentes e foi capaz de detectar que o interior era feito de carbono.

Os pesquisadores dizem que seu método fornece uma melhoria importante para a análise elementar atual em vários campos e pode ser usado para perfis de profundidade elementar de amostras arqueológicas.

Os detalhes deste estudo foram publicados em Relatórios Científicos em 29 de março. + Explorar mais