Los rayos X de alta energía o rayos HEX son rayos X muy duros , con energías típicas de 80 a 1000 keV (1 MeV), aproximadamente un orden de magnitud más alto que los rayos X convencionales utilizados para la cristalografía de rayos X (y energías de rayos gamma de más de 120 keV). Se producen en fuentes de radiación de sincrotrón modernas , como la Fuente de Sincrotrón de Alta Energía de Cornell , SPring-8, y las líneas de luz ID15 y BM18 en el Centro Europeo de Radiación Sincrotrón (ESRF). El principal beneficio es la profunda penetración en la materia que los convierte en una sonda para muestras gruesas en física y ciencia de materiales y permite un entorno y operación de muestra en el aire. Los ángulos de dispersión son pequeños y la difracción dirigida hacia adelante permite configuraciones de detector simples.
Los rayos X de alta energía (megavoltios) también se utilizan en la terapia del cáncer , utilizando haces generados por aceleradores lineales para suprimir tumores. [1]
Ventajas
Los rayos X de alta energía (rayos HEX) entre 100 y 300 keV tienen una ventaja única sobre los rayos X duros convencionales, que se encuentran en el rango de 5 a 20 keV [2]. Se pueden enumerar de la siguiente manera:
Alta penetración en los materiales gracias a una sección transversal de fotoabsorción muy reducida. La fotoabsorción depende en gran medida del número atómico del material y de la energía de los rayos X. Se puede acceder a volúmenes de varios centímetros de espesor en acero y de milímetros en muestras que contienen plomo.
No produce daños por radiación en la muestra, pudiendo detectar inconmensuraciones o destruir el compuesto químico a analizar.
La esfera de Ewald tiene una curvatura diez veces menor que en el caso de baja energía y permite mapear regiones enteras en una red recíproca , similar a la difracción de electrones.
Acceso a la dispersión difusa. Esta se limita a la absorción y no a la extinción [ aclaración necesaria ] a bajas energías, mientras que el aumento de volumen [ aclaración necesaria ] tiene lugar a altas energías. Se pueden obtener fácilmente mapas 3D completos de varias zonas de Brillouin .
Las transferencias de alto momento son naturalmente accesibles debido al alto momento de la onda incidente. Esto es de particular importancia para los estudios de materiales líquidos, amorfos y nanocristalinos, así como para el análisis de funciones de distribución de pares .
Configuraciones de difracción simples debido al funcionamiento en aire. [ aclaración necesaria ]
Difracción en dirección hacia adelante para un registro sencillo con un detector 2D. La dispersión y penetración hacia adelante hacen que los entornos de muestra sean sencillos y directos.
Efectos de polarización despreciables debido a ángulos de dispersión relativamente pequeños.
Dispersión magnética especial no resonante.
Interferometría LLL.
Acceso a niveles espectroscópicos de altas energías, tanto electrónicas como nucleares.
Estudios similares a los de los neutrones, pero complementarios, combinados con una resolución espacial de alta precisión.
Las secciones transversales para la dispersión Compton son similares a las secciones transversales de dispersión coherente o absorción.
Aplicaciones
Configuración de difracción de polvo bidimensional para rayos X de alta energía . Los rayos HEX que ingresan desde la izquierda se difractan en dirección hacia adelante en la muestra y se registran mediante un detector 2D como una placa de imagen. [2]
Con estas ventajas, los rayos HEX se pueden utilizar en una amplia gama de investigaciones. A continuación, se ofrece una visión general, que no está completa:
Investigaciones estructurales de materiales reales, como metales, cerámicas y líquidos. En particular, estudios in situ de transiciones de fase a temperaturas elevadas hasta la fusión de cualquier metal. Transiciones de fase, recuperación, segregación química, recristalización, maclado y formación de dominios son algunos aspectos que se pueden seguir en un solo experimento.
Materiales en entornos químicos o de operación, como electrodos en baterías, celdas de combustible, reactores de alta temperatura, electrolitos, etc. La penetración y un haz de lápiz bien colimado permiten enfocar la región y el material de interés mientras sufre una reacción química.
Estudio de capas 'gruesas', como la oxidación del acero en su proceso de producción y laminación, que son demasiado gruesas para los experimentos de reflectometría clásica. Interfases y capas en entornos complicados, como la reacción intermetálica del recubrimiento superficial Zincalume sobre acero industrial en baño líquido.
Estudios in situ de procesos industriales de fundición de metales ligeros. Se puede montar una configuración de fundición en una línea de luz y sondearla con el haz de rayos HEX en tiempo real.
Los estudios en masa en monocristales difieren de los estudios en regiones cercanas a la superficie, limitadas por la penetración de los rayos X convencionales. Se ha descubierto y confirmado en casi todos los estudios que las longitudes críticas de dispersión y correlación se ven fuertemente afectadas por este efecto.
Combinación de investigaciones de neutrones y rayos HEX en la misma muestra, como variaciones de contraste debidas a las diferentes longitudes de dispersión.
Análisis de tensiones residuales en masa con resolución espacial única en muestras de centímetros de espesor; in situ bajo condiciones de carga realistas.
Estudios in situ de procesos de deformación termomecánicos como forja, laminación y extrusión de metales.
Mediciones de textura en tiempo real en masa durante una deformación, transición de fase o recocido, como en el procesamiento de metales.
Estructuras y texturas de muestras geológicas que pueden contener elementos pesados y son gruesas.
Difracción de triple cristal de alta resolución para la investigación de monocristales con todas las ventajas de alta penetración y estudios desde el volumen.
Espectroscopia Compton para la investigación de la distribución del momento de las capas de electrones de valencia.
Imágenes y tomografía con altas energías. Las fuentes dedicadas pueden ser lo suficientemente potentes como para obtener tomografías 3D en unos pocos segundos. La combinación de imágenes y difracción es posible gracias a geometrías simples. Por ejemplo, la tomografía combinada con la medición de la tensión residual o el análisis estructural.
^ Graham A. Colditz, La enciclopedia SAGE del cáncer y la sociedad , SAGE Publications, 2015, ISBN 1483345742 página 1329
^ ab Liss KD, Bartels A, Schreyer A, Clemens H (2003). "Rayos X de alta energía: una herramienta para investigaciones masivas avanzadas en ciencia y física de materiales". Texturas Microstruct . 35 (3/4): 219–52. doi : 10.1080/07303300310001634952 .
Lectura adicional
Liss, Klaus-Dieter ; Bartels, Arno; Schreyer, Andreas; Clemens, Helmut (2003). "Rayos X de alta energía: una herramienta para investigaciones avanzadas en masa en ciencia y física de materiales". Texturas y microestructuras . 35 (3–4): 219–252. doi : 10.1080/07303300310001634952 .
Benmore, CJ (2012). "Una revisión de la difracción de rayos X de alta energía a partir de vidrios y líquidos". ISRN Materials Science . 2012 : 1–19. doi : 10.5402/2012/852905 .
Eberhard Haug; Werner Nakel (2004). El proceso elemental de la radiación de frenado. World Scientific Lecture Notes in Physics. Vol. 73. River Edge, NJ: World Scientific. ISBN 978-981-238-578-9.
Enlaces externos
Liss, Klaus-Dieter; et al. (2006). "Recristalización y transiciones de fase en una aleación basada en γ-Ti Al observada mediante difracción de rayos X de alta energía ex situ e in situ". Acta Materialia . 54 (14): 3721–3735. Bibcode :2006AcMat..54.3721L. doi :10.1016/j.actamat.2006.04.004.
