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        根据密歇根大学工程师领导的一项研究，研究人员首次可以在标准实验室中使用 X 射线研究金属、陶瓷和岩石内部的微观结构，而无需前往粒子加速器。

         这项新技术使 3D X 射线衍射（称为 3DXRD）更容易获得，有可能在学术界和工业界对样品和原型进行快速分析，并为学生提供更多机会。

         3DXRD使用从多个角度拍摄的 X 射线重建 3D 图像，类似于 CT 扫描。 成像设备不是围绕患者旋转，而是几毫米宽的材料样品在强大的光束前的支架上旋转，该光束的 X 射线大约是医用 X 射线的一百万倍。

         巨大的 X 射线浓度会产生构成大多数金属、陶瓷和岩石的微小熔融晶体（称为多晶材料）的微卡利图像。

         结果有助于研究人员通过测量数千个晶体的体积、位置、方向和应变，了解材料对机械应力的反应。 例如，对受压钢梁的样品进行成像可以显示晶体对承受建筑物重量的反应，从而帮助研究人员了解大规模磨损。

         同步加速器曾经是唯一能够为 3DXRD 产生足够 X 射线的设施，因为电子在穿过圆形粒子时会从 X 射线碎片中喷出加速器，然后可以将其定向到样品中。

         虽然同步加速器 X 射线束产生最先进的细节，但全球只有大约 70 个设施。 研究团队必须将“光束时间”的项目提案放在一起。 被接受的项目通常必须等待 6 个月到 2 年才能运行他们的实验，实验时间最长为 6 天。

         为了使这项技术更广泛地使用，研究团队与 PROTO Manufacturing 合作进行定制构建第一个实验室规模的 3DXRD。 总的来说，该仪器的大小与住宅浴室差不多，但可以缩小到扫帚壁橱的大小。

         “这项技术为我们提供了如此有趣的数据，我想创造机会来尝试高风险、高回报的新事物，并为学生提供可教学的时刻，而无需等待时间和同步加速器束时间的压力，”UM 机械工程和材料助理教授 Ashley Bucsek 说科学与工程，该研究的共同通讯作者发表在《自然通讯》上。

         以前，小型设备无法为 3DXRD 产生足够的 X 射线，因为在某个点上，电子束向阳极（电子撞击以产生 X 射线的固体金属表面）泵送了太多的功率，以至于它会熔化。 Lab-3DXRD 利用在室温下已经是液态的液态金属射流阳极，使其能够吸收更多功率并产生更多 X 射线在这个规模下，比一次可能。

         研究人员使用三种方法扫描相同的钛合金样品，对设计进行了测试：lab-3DXRD、synchrotron-3DXRD 和实验室衍射对比断层扫描或 LabDCT——一种用于绘制 3D 晶体结构的技术，没有应变信息。

         Lab-3DXRD 的准确度很高，它采集的晶体中有 96% 与其他两种方法重叠。 它对超过 60 微米的较大晶体表现特别好，但错过了一些较小的晶体。 研究人员指出，添加一个更灵敏的光子计数探测器，用于检测用于构建图像的 X 射线，可能有助于捕捉最细晶粒的晶体。

         借助内部可用的这项技术，Bucsek 的研究团队可以尝试新的实验，磨练参数，为在同步加速器上进行更大规模的实验做准备。

         “Lab-3DXRD 就像一个漂亮的后院望远镜，而 Synchrotron-3DXRD 是哈勃望远镜。 有在某些情况下，你仍然需要哈勃望远镜，但我们现在已经为这些大型实验做好了充分的准备，因为我们可以提前尝试所有东西，“Bucsek 说。

         除了实现更容易获得的实验外，lab-3DXRD 还允许研究人员将项目扩展到同步加速器 6 天限制之外，这在研究循环载荷（材料如何在数千个循环中响应重复应力）时特别有用。

         第一作者和共同通讯作者 Seunghee Oh， a研究时是机械工程研究员，现在在阿贡国家实验室的 X 射线科学部门工作。

         该研究由美国国家科学基金会 （CMMI-2142302; DMR-1829070） 和美国 能源部（DE-SC0008637 奖）。 来自 PROTO Manufacturing 的

         研究人员也为这项研究做出了贡献。

         LabDCT 在密歇根材料表征中心进行。

         研究：拍摄三维 X 射线衍射（3DXRD） 从同步加速器到实验室规模 （DOI： 10.1038/s41467-025-58255-x）