Verwenden von Neutronen, um gefälschte antike Münzen zu erkennen

Das Vorhandensein von Wasserstoff in einer Probe ist normalerweise eine schlechte Sache in Neutronenstreuungsexperimenten

The presence of hydrogen is usually a bad thing in neutron scattering experiments, but now researchers in the US have turned the tables on the lightest element and used it to spot fake antique coins.

Das Vorhandensein von Wasserstoff ist in der Regel in Neutronenstreuungsexperimenten eine schlechte Sache, aber jetzt haben Forscher in den USA die Tabellen auf dem leichtesten Element gedreht und es verwendet, um gefälschte antike Münzen zu erkennen.

Relative to other types of electromagnetic radiation, neutrons can travel relatively large distances in materials without being absorbed. This property is useful for probing the bulk properties of materials, especially when the neutrons’ wavelengths are on par with the atomic separations in a material. At these wavelengths, neutrons can be scattered by atoms in a material, and the relative phases and amplitudes of the scattered waves can be measured to reconstruct images of the material’s structure.

In Bezug auf andere Arten von elektromagnetischer Strahlung können Neutronen in Materialien relativ große Entfernungen zurücklegen, ohne absorbiert zu werden. Diese Eigenschaft ist nützlich, um die Masseneigenschaften von Materialien zu untersuchen, insbesondere wenn die Wellenlängen der Neutronen mit den atomaren Trennungen in einem Material entsprechen. Bei diesen Wellenlängen können Neutronen durch Atome in einem Material verstreut werden, und die relativen Phasen und Amplituden der verstreuten Wellen können gemessen werden, um Bilder der Materialstruktur zu rekonstruieren.

For example, in biological structure determination, proteins, DNA and other biomolecules are usually placed in a solution and the resulting scattering data are used to determine the 3D structure of the molecule in the solution. However, hydrogen-1 nuclei (protons) are very good at scattering neutrons in random directions, which creates a noisy background signal. For this reason, biological samples are usually “deuterated” – replacing hydrogen with deuterium – before they are placed in a neutron beam.

Beispielsweise werden bei der Bestimmung der biologischen Struktur Proteine, DNA und andere Biomoleküle normalerweise in eine Lösung platziert und die resultierenden Streudaten werden verwendet, um die 3D -Struktur des Moleküls in der Lösung zu bestimmen. Wasserstoff-1-Kerne (Protonen) sind jedoch sehr gut darin, Neutronen in zufällige Richtungen zu streuen, was ein lautes Hintergrundsignal erzeugt. Aus diesem Grund werden biologische Proben normalerweise „deuteriert“ - was Wasserstoff durch Deuterium ersetzt - bevor sie in einen Neutronenstrahl platziert werden.

Special cases do exist, however, where this incoherent scattering of hydrogen can be useful – measuring the water content of samples, for instance.

Es gibt jedoch spezielle Fälle, in denen diese inkohärente Streuung von Wasserstoff nützlich sein kann - beispielsweise den Wassergehalt von Proben.

Surfeit of hydrogen

Wasserstoffoutfam

Now, researchers in the US and South Korea have used a neutron beam to differentiate between genuine antique coins and fakes. The technique relies on the fact that the genuine coins have suffered corrosion that has resulted in the inclusion of hydrogen-bearing compounds within the coins.

Jetzt haben Forscher in den USA und Südkorea einen Neutronenstrahl verwendet, um zwischen echten antiken Münzen und Fälschungen zu unterscheiden. Die Technik beruht auf der Tatsache, dass die echten Münzen Korrosion erlitten haben, was zur Einbeziehung von Wasserstoff tragenden Verbindungen in die Münzen geführt hat.

Led by Youngju Kim and Daniel Hussey at the National Institute of Standards and Technology (NIST) in Colorado, the team fired a parallel beam of neutrons through individual coins (see figure). The particles travel with ease through a coin’s original metal, but tend to be scattered by the hydrogen-rich corrosion inclusions. This creates a 2D pattern of high and low intensity regions on a neutron-sensitive screen behind the coin. The coin can be rotated and a series of images taken. Then, the researchers used computed tomography to create a 3D image showing the corroded regions of a coin.

Unter der Leitung von Youngju Kim und Daniel Hussey am National Institute of Standards and Technology (NIST) in Colorado schoss das Team einen parallelen Neutronenstrahl durch einzelne Münzen (siehe Abbildung). Die Partikel reisen mühelos durch das ursprüngliche Metall einer Münze, werden jedoch in der Regel durch die Wasserstoff-reichen Korrosionseinschlüsse verstreut. Dies schafft ein 2D-Muster von Regionen mit hoher und niedriger Intensität auf einem neutronsensitiven Bildschirm hinter der Münze. Die Münze kann gedreht und eine Reihe von Bildern aufgenommen werden. Anschließend verwendeten die Forscher eine Computertomographie, um ein 3D -Bild zu erstellen, das die korrodierten Regionen einer Münze zeigt.

The team used this neutron tomography technique to examine an authentic 19th century coin that was recovered from a shipwreck, and on a coin that is known to be a replica. Although both coins had surface corrosion, the corrosion extended much deeper into the bulk of the authentic coin than it did in the replica.

Das Team verwendete diese Neutronen -Tomographie -Technik, um eine authentische Münze des 19. Jahrhunderts zu untersuchen, die von einem Schiffswrack geborgen wurde, und eine Münze, die als Nachbildung bekannt ist. Obwohl beide Münzen Oberflächenkorrosion aufwiesen, erstreckte sich die Korrosion viel tiefer in den Großteil der authentischen Münze als in der Replik.

The researchers also used a separate technique called neutron grating interferometry to characterise the pores in the surfaces of the coins. Pores are commonly observed on the surface of coins that have been buried or submerged. Authentic antique coins will be buried or submerged, whereas replica coins will be buried or submerged to make them look more authentic.

Die Forscher verwendeten auch eine separate Technik, die als Neutronengitterinterferometrie bezeichnet wird, um die Poren in den Oberflächen der Münzen zu charakterisieren. Poren werden üblicherweise auf der Oberfläche von Münzen beobachtet, die vergraben oder getaucht wurden. Authentische antike Münzen werden vergraben oder getaucht, während Replikmünzen begraben oder getaucht werden, damit sie authentischer aussehen.

Small-angle scattering

Kleinwinkelstreuung

Neutron grating interferometry looks at the small-angle scattering of neutrons from a sample and focuses on structures that range in size from about 1 nm to 1 micron.

Die Interferometrie der Neutronengitter befasst sich mit der Kleinwinkelstreuung von Neutronen aus einer Probe und konzentriert sich auf Strukturen, die sich von etwa 1 nm bis 1 Mikron befinden.

The team found that the authentic coin had many more tiny pores than the replica coin, which was dominated by much larger (millimetre scale) pores.

Das Team stellte fest, dass die authentische Münze viel mehr winzige Poren als die Replikmünze hatte, die von viel größeren Poren (Millimeter -Skala) dominiert wurde.

This observation was expected because when a coin is buried or submerged, chemical reactions cause metals to leach out of its surface, creating millimetre-sized pores. As time progresses, however, further chemical reactions cause corrosion by-products such as copper carbonates to fill in the pores. The result is that the pores in the older authentic coin are smaller than the pores in the newer replica coin.

Diese Beobachtung wurde zu erwarten, da eine Münze vergraben oder untergetaucht ist, chemische Reaktionen dazu führen, dass Metalle aus ihrer Oberfläche ausschütten, wodurch Millimetergröße Poren erzeugt. Im Laufe der Zeit führen weitere chemische Reaktionen jedoch zu Korrosionsnebenprodukten wie Kupferkarbonaten, um die Poren auszufüllen. Das Ergebnis ist, dass die Poren in der älteren authentischen Münze kleiner sind als die Poren in der neueren Replikmünze.

The team now plans to expand its study to include more Korean coins and other metallic artefacts. The techniques could also be used to pinpoint corrosion damage in antique coins, allowing these areas to be protected using coatings.

Das Team plant nun, seine Studie um mehr koreanische Münzen und andere metallische Artefakte zu erweitern. Die Techniken könnten auch verwendet werden, um Korrosionsschäden in antiken Münzen zu bestimmen, sodass diese Bereiche mit Beschichtungen geschützt werden können.

As well as being important to coin collectors and dealers, the ability to verify the age of coins is of interest to historians and economists – who use the presence of coins in their research.

Die Fähigkeit, das Alter der Münzen zu überprüfen, ist für Historiker und Ökonomen, die das Vorhandensein von Münzen in ihrer Forschung nutzen, von Interesse.

The study was done using neutrons from NIST’s research reactor in Maryland. That facility is scheduled to close in 2026 so the team plans to continue its investigation using a neutron source in South Korea.

Die Studie wurde mit Neutronen aus dem Forschungsreaktor von NIST in Maryland durchgeführt. Diese Einrichtung soll im Jahr 2026 geschlossen werden, damit das Team seine Untersuchung mit einer Neutronenquelle in Südkorea fortsetzen will.

The research is described in Scientific Reports.

Die Forschung ist in wissenschaftlichen Berichten beschrieben.