中性子を使用して、偽のアンティークコインを見つけます

サンプルに水素が存在することは、通常、中性子散乱実験では悪いことです

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.

水素の存在は通常、中性子散乱実験では悪いことですが、現在、米国の研究者は最も軽い要素のテーブルを回し、それを使用して偽のアンティークコインを見つけました。

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.

他の種類の電磁放射と比較して、中性子は吸収されることなく材料を比較的大きな距離を移動できます。この特性は、特に中性子の波長が材料の原子分離と同等である場合、材料のバルク特性を調査するのに役立ちます。これらの波長では、中性子は材料に原子によって散乱することができ、散乱波の相対相と振幅を測定して、材料の構造の画像を再構築できます。

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.

たとえば、生物学的構造の決定では、タンパク質、DNA、およびその他の生体分子が通常溶液に配置され、結果として得られる散乱データを使用して、溶液中の分子の3D構造を決定します。ただし、水素-1核（陽子）は、ランダムな方向で中性子散乱に非常に優れており、騒々しいバックグラウンド信号を作成します。このため、生物学的サンプルは通常、中性子ビームに配置される前に、水素を重水素に置き換える（重水素化」されます。

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

ただし、特別なケースは存在します。たとえば、サンプルの水分量を測定するこの水素のこの一貫性のない散乱が役立つ場合があります。

Surfeit of hydrogen

水素の表現

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.

現在、米国と韓国の研究者は、中性子ビームを使用して、本物のアンティークコインと偽物を区別しています。この手法は、本物のコインが腐食を受け、コイン内に水素を含む化合物が含まれているという事実に依存しています。

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.

コロラド州の国立標準技術研究所（NIST）でヤングジュキムとダニエルハッシーが率いるチームは、個々のコインを通して中性子の平行したビームを発射しました（図を参照）。粒子はコインの元の金属を簡単に通過しますが、水素が豊富な腐食包含によって散らばる傾向があります。これにより、コインの後ろの中性子感受性画面に高強度領域と低強度領域の2Dパターンが作成されます。コインを回転させ、一連の画像を撮影できます。次に、研究者はコンピューター断層撮影を使用して、コインの腐食した領域を示す3D画像を作成しました。

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.

チームは、この中性子断層撮影技術を使用して、難破船から回収された本物の19世紀のコインと、レプリカであることが知られているコインを調べました。両方のコインには表面腐食がありましたが、腐食はレプリカよりも本物のコインの大部分に深く伸びていました。

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.

研究者はまた、中性子格子干渉測定と呼ばれる個別の手法を使用して、コインの表面の毛穴を特徴付けました。毛穴は、埋葬または水没したコインの表面で一般的に観察されます。本物のアンティークコインは埋葬または水没しますが、レプリカコインは埋められたり、水没したりして、より本物に見えるようにします。

Small-angle scattering

小角散乱

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.

中性子格子干渉測定は、サンプルからの中性子の小角散乱を調べ、サイズが約1 nmから1ミクロンの範囲の構造に焦点を当てています。

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.

チームは、本物のコインには、レプリカコインよりも多くの小さな毛穴があることを発見しました。レプリカコインは、はるかに大きな（ミリメートルスケール）細孔が支配されていました。

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.

この観察結果は、コインが埋められたり水没したりすると、化学反応が金属が表面から浸出し、ミリメートルサイズの毛穴が生じるため、予想されていました。しかし、時間が経過するにつれて、さらなる化学反応により、炭酸塩などの腐食副産物が毛穴を埋めることができます。その結果、古い本物のコインの毛穴は、新しいレプリカコインの毛穴よりも小さくなります。

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.

チームは現在、より多くの韓国のコインやその他の金属製のアーティファクトを含めるように研究を拡大する予定です。この技術は、アンティークコインの腐食損傷を特定するためにも使用でき、これらの領域をコーティングを使用して保護することができます。

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.

コインコレクターやディーラーにとって重要であるだけでなく、コインの年齢を検証する能力は、研究でコインの存在を使用する歴史家や経済学者にとって興味深いものです。

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.

この研究は、メリーランド州のNISTの研究反応器の中性子を使用して行われました。その施設は2026年に閉鎖する予定であるため、チームは韓国の中性子源を使用して調査を継続する予定です。

The research is described in Scientific Reports.

この研究は科学的報告に記載されています。