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 mayor que los rayos X convencionales utilizados para la cristalografía de rayos X (y bien). en energías de rayos gamma superiores a 120 keV). Se producen en fuentes modernas de radiación sincrotrón , como la fuente de sincrotrón de alta energía de Cornell , SPring-8, y las líneas de luz ID15 y BM18 en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF). El principal beneficio es la profunda penetración en la materia , lo 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 simples del detector.
Los rayos X de alta energía (megavoltios) también se utilizan en la terapia del cáncer , utilizando haces generados por aceleradores lineales para suprimir los 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 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 milímetros de muestras que contienen plomo.
No hay daños por radiación en la muestra, que pueden provocar 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 dispersión difusa. Esto es absorción y no extinción limitada [ se necesita clarificación ] a bajas energías, mientras que el aumento de volumen [ se necesita clarificación ] tiene lugar a energías altas. Se pueden obtener fácilmente mapas completos en 3D de varias zonas de Brillouin .
Las transferencias de alto impulso son naturalmente accesibles debido al alto impulso de la onda incidente. Esto es de particular importancia para estudios de materiales líquidos, amorfos y nanocristalinos, así como para el análisis de la función de distribución de pares .
Configuraciones de difracción simples debido al funcionamiento en aire. [ se necesita aclaración ]
Difracción en dirección directa para un fácil registro con un detector 2D. La dispersión y la penetración directas hacen que los entornos de muestra sean sencillos y directos.
Efectos de polarización insignificantes debido a ángulos de dispersión relativamente pequeños.
Dispersión magnética especial no resonante.
Interferometría LLL.
Acceso a niveles espectroscópicos de alta energía, tanto electrónica como nuclear.
Estudios similares a los de neutrones, pero complementarios, combinados con una resolución espacial de alta precisión.
Las secciones transversales de 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 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 aplicar a una amplia gama de investigaciones. Una visión general, que está lejos de ser 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. Las transiciones de fase, la recuperación, la segregación química, la recristalización, la macla y la formación de dominios son algunos de los aspectos a 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 permite 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 laminado, que son demasiado gruesas para experimentos de reflectometría clásica. Interfaces 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 como la fundición de bandas para metales ligeros. Se puede configurar una configuración de fundición en una línea de luz y sondear 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 encontrado 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 debido 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 termomecánica 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 una alta penetración y estudios en masa.
Espectroscopía Compton para la investigación de la distribución del momento de las capas de electrones de valencia.
Imagenología y tomografía con altas energías. Las fuentes dedicadas pueden ser lo suficientemente potentes como para obtener tomografías 3D en unos segundos. La combinación de imágenes y difracción es posible gracias a geometrías simples. Por ejemplo, tomografía combinada con medición de tensiones residuales o análisis estructural.
^ Graham A. Colditz, La enciclopedia SAGE sobre el cáncer y la sociedad , Publicaciones SAGE, 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". Microestructura de texturas . 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 masivas avanzadas en física y ciencia 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 de vasos y líquidos". Ciencia de materiales ISRN . 2012 : 1-19. doi : 10.5402/2012/852905 .
Eberhard Haug; Werner Nakel (2004). El proceso elemental de Bremsstrahlung. Apuntes de conferencias científicas mundiales sobre física. vol. 73. River Edge, Nueva Jersey: World Scientific. ISBN 978-981-238-578-9.
Enlaces externos
Liss, Klaus-Dieter; et al. (2006). "Recristalización y transiciones de fase en una aleación a base de γ-Ti Al observada por difracción de rayos X de alta energía ex situ e in situ". Acta Materialia . 54 (14): 3721–3735. Código Bib : 2006AcMat..54.3721L. doi :10.1016/j.actamat.2006.04.004.
