Лабораторный масштаб 3DXRD (LAB-3DXRD) микроскоп. (а) обзор компонентов LAB-3DXRD; (б) приборы 3DXRD в дальнем поле внутри клетки; (c) изображение формы падающего луча с открытыми щели; (d) Вертикальное распределение фотонов, подсчитанных в положении образца на детекторе Minipix. Кредит: Природная связь (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-58255-x
Впервые исследователи могут изучать микроструктуры внутри металлов, керамики и пород с рентгеновскими снимками в стандартной лаборатории без необходимости перемещаться в ускоритель частиц, согласно исследованию, возглавляемому инженерами Мичиганского университета.
Работа опубликована в журнале Природная связьПолем
Новая техника делает трехмерную дифракцию рентгеновского излучения-известную как 3DXRD-более легко доступную, потенциально обеспечивая быстрый анализ образцов и прототипов в академических кругах и промышленности, а также предоставляет больше возможностей для студентов.
3DXRD реконструирует 3D-изображения с использованием рентгеновских лучей, взятых под несколькими углами, аналогично компьютерной томографии. Вместо того, чтобы устройство визуализации вращалось вокруг пациента, образец материала шириной в несколько миллиметров вращается на стойке перед мощным пучком с примерно в миллион раз больше рентгеновских лучей, чем медицинский рентген.
Огромная концентрация рентгеновских лучей дает микромасштабное изображение крошечных слитых кристаллов, которые составляют большинство металлов, керамики и камней, известных как поликристаллические материалы.
Результаты помогают исследователям понять, как материалы реагируют на механические напряжения, измеряя объем, положение, ориентацию и деформацию в тысячи отдельных кристаллов. Например, визуализация образца из стальной луча под сжатием может показать, как кристаллы реагируют на вес здания, помогая исследователям понять крупномасштабный износ.
Синхротроны когда-то были единственными учреждениями, способными производить достаточно рентгеновских лучей для 3DXRD, так как электроны выплюнут с помощью рентгеновских лучей, когда они проходят через круглые ускорители частиц, которые затем могут быть направлены в образец.
В то время как синхротронные рентгеновские лучи производят современные детали, в мире насчитывается всего около 70 объектов. Исследовательские группы должны собрать предложения по проекту для «времени луча». Принятые проекты часто должны ждать шесть месяцев до двух лет, чтобы провести свои эксперименты, которые ограничены максимум шестью днями.
Стремясь сделать эту технику более доступной, исследовательская группа работала с Proto Manufacturing, чтобы создать индивидуальную построение первого лабораторного масштаба 3DXRD. В целом, инструмент размером с жилую ванной комнаты, но может быть уменьшен до размера шкафа.
Схема сравнительного анализа сравнительного анализа лабораторного масштаба 3DXRD. а Рисование образца TI-7AL, используемого в этой работе; беременный Общие объемы образца, измеренные по каждой из трех методов; в 3D микроструктура, измеренная с помощью лабораторной дифракционной томографии (LABDCT); дюймовый 3D-рассеянный график центроидов зерна, измеренный с помощью синхротронного 3DXRD на основе синхротрона (Synch-3DXRD); эн 3D рассеянный график центроидов зерна, измеренный с помощью лабораторного масштаба 3DXRD (LAB-3DXRD); фон 3DXRD против DCT -координат. Конвенции. Кредит: Природная связь (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-58255-x
«Этот метод дает нам такие интересные данные, что я хотел создать возможность попробовать новые вещи, которые представляют собой высокий риск, высокое вознаграждение и разрешают обучаемые моменты для студентов без времени ожидания и давления синхротронного луча»,-сказал Эшли Буксек, доцент UM Machanice Engineering, а также инженерный инженер и совместный автор исследования.
Раньше мелкомасштабные устройства не могли производить достаточно рентгеновских лучей для 3DXRD, потому что в определенную точку электронный лучевой насос так много мощности в анод-поверхность сплошной металлической, что электроны ударяют, чтобы сделать рентгеновские лучи-что она тает. LAB-3DXRD использует анод с жидким металлом, который уже является жидкостью при комнатной температуре, что позволяет ему получить больше мощности и производить больше рентгеновских лучей, чем когда-то возможно в этой шкале.
Исследователи проводят дизайн в тест, сканируя один и тот же образец титанового сплава, используя три метода: LAB-3DXRD, синхротрон-3DXRD и лабораторная дифракционная томография или LABDCT-метод, используемый для отображения кристаллических структур в 3D без информации о деформации.
LAB-3DXRD была высокой точностью, с 96% кристаллов, которые он приобрел перекрытыми с двумя другими методами. Это особенно хорошо с большими кристаллами более 60 микрометров, но пропустил некоторые из небольших кристаллов. Исследователи отмечают, что добавление более чувствительного детектора с подсчета фотонов, который обнаруживает рентгеновские снимки, которые используются для построения изображений, может помочь поймать самые тонкие кристаллы.
Благодаря этой технике, доступной внутри, исследовательская группа Bucsek может попробовать новые эксперименты, отталкивая параметры для подготовки к более крупному эксперименту в синхротроне.
«LAB-3DXRD-это хороший телескоп на заднем дворе, в то время как синхротрон-3DXRD является телескопом Хаббла. По-прежнему существуют определенные ситуации, когда вам нужны Хаббл, но теперь мы хорошо подготовлены к этим большим экспериментам, потому что мы можем попробовать все заранее»,-сказал Буксек.
Помимо обеспечения более доступных экспериментов, LAB-3DXRD позволяет исследователям расширять проекты в прошлом шестидневное ограничение синхротрона, что особенно полезно при изучении циклической нагрузки-как материал реагирует на повторные напряжения в течение тысяч циклов.
Первый автор и совместный автор Seunghee OH, научный сотрудник по машиностроению на момент исследования, теперь работает в отделе рентгеновских наук в Аргоннской национальной лаборатории.
Исследователи из Proto Manufacturing также внесли свой вклад в исследование. LABDCT был выполнен в Мичиганском центре для характеристики материалов.
Больше информации:
Seunghee OH et al. Трехмерная дифракция рентгеновских лучей (3DXRD) из синхротрона в лабораторную масштаб, Природная связь (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-58255-x
Информация журнала:
Природная коммуникация, предоставленная Мичиганским университетом
Цитирование: Синхротрон в шкафу: донесение мощной 3D-рентгеновской микроскопии в более мелкие лаборатории (2025, 29 апреля), полученные 1 мая 2025 года из этого документа, подлежит авторским праву. Помимо каких -либо справедливых сделок с целью частного исследования или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только для информационных целей.
