Точное измерение длин волн рентгеновского излучения в решающей степени зависит от способности измерять углы очень точно и с очень небольшой погрешностью. Новый подход NIST является первым крупным достижением с 1970-х годов в сокращении некоторых источников ошибок, распространенных при измерении угла рентгеновских лучей.Многие из нас связывают рентгеновские лучи с кабинетом врача, но использование этих энергетических лучей выходит далеко за рамки выявления наших скелетов.
Способность воспринимать рентгеновские лучи на точных длинах волн позволяет правоохранительным органам обнаруживать и идентифицировать следы взрывчатых веществ, а астрофизикам — лучше понимать космические явления. Все сводится к очень внимательному изучению рентгеновского спектра и измерению точного положения линий в нем.
Эти линии представляют определенные длины волн — которые связаны с определенными энергиями — рентгеновских лучей, излучаемых изучаемым объектом. Каждый материал имеет свой уникальный рентгеновский «отпечаток пальца».Но небольшая ошибка в измерении угла может исказить результаты с последствиями для квантовых теорий, исследований и производства. «В то время как во многих областях требуются хорошие справочные рентгеновские данные, многие измерения, которые в настоящее время заполняют стандартные справочные базы данных, невелики — большинство данных были получены в 1970-х годах и часто неточны», — говорит Ларри Хадсон из NIST.
Длины волн рентгеновского излучения измеряются путем пропускания луча через специальные кристаллы и очень тщательного измерения угла, который выходящие лучи образуют с исходным лучом. Хотя физика иная, техника аналогична тому, как призма разделяет белый свет на разные цвета, выходящие под разными углами.
Кристалл обычно устанавливается на вращающемся устройстве, которое вращает кристалл в двух разных положениях, где наблюдается спектральная линия. Измеряется угол между ними — это изящный геометрический трюк, который определяет положение линии более точно, чем одно измерение, а также устраняет некоторые потенциальные ошибки. Одним из неизбежных ограничений является точность цифрового кодировщика, устройства, которое преобразует вращение кристалла в измерение угла.
Хадсон и его соавторы нашли способ значительно уменьшить ошибку в этом измерении. В их новом подходе лазерные лучи отражаются от зеркально отраженного многоугольника, который вращается на том же валу, что и кристалл.
Такой подход позволяет команде использовать дополнительные математические сокращения в своих интересах. Благодаря новым измерительным приборам и анализу NIST углы рентгеновского излучения теперь можно измерять рутинно с погрешностью 0,06 угловых секунд — точность более чем в три раза выше, чем у некалиброванного энкодера.Хадсон описывает это сокращение как достаточно значительное, чтобы установить мировые рекорды в измерении длины волны рентгеновского излучения. «Если бы гигантский дворник протянулся от Вашингтона до Нью-Йорка (364 километра) и сместил бы угол одной из этих ошибок, его кончик переместился бы меньше, чем ширина DVD», — говорит он.Что эти улучшения означают для полей, зависящих от рентгеновского зондирования?
Во-первых, калибровка измерительных устройств с большей точностью обеспечит лучшее понимание множества недавно разработанных материалов, которые часто имеют сложные кристаллические структуры, которые вызывают необычные эффекты, такие как высокотемпературная сверхпроводимость. Усилия команды позволят лучше понять взаимосвязь между структурами и свойствами новых материалов.