중성자를 사용하여 가짜 골동품 동전을 발견합니다

샘플에서 수소의 존재는 일반적으로 중성자 산란 실험에서 나쁜 것입니다.

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.

수소의 존재는 일반적으로 중성자 산란 실험에서 나쁜 일이지만, 현재 미국의 연구원들은 테이블을 가장 가벼운 요소에 돌려 가짜 골동품 동전을 발견하는 데 사용했습니다.

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.

다른 유형의 전자기 방사선에 비해 중성자는 흡수되지 않고 재료에서 비교적 먼 거리를 이동할 수 있습니다. 이 특성은 특히 중성자 파장이 재료의 원자 분리와 동등한 경우 재료의 벌크 특성을 조사하는 데 유용합니다. 이들 파장에서, 중성자는 재료의 원자에 의해 산란 될 수 있으며, 산란 파의 상대적 상 및 진폭을 측정하여 재료 구조의 이미지를 재구성 할 수있다.

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.

예를 들어, 생물학적 구조 측정에서, 단백질, DNA 및 기타 생체 분자는 일반적으로 용액에 배치되고 생성 된 산란 데이터는 용액에서 분자의 3D 구조를 결정하는데 사용된다. 그러나, 수소 -1 핵 (양성자)은 무작위 방향으로 중성자를 산란시키는 데 매우 능숙하며, 이는 시끄러운 배경 신호를 만듭니다. 이러한 이유로, 생물학적 샘플은 일반적으로 중성자 빔에 배치되기 전에 수소를 중수소로 대체합니다.

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

그러나 예를 들어 샘플의 수분 함량을 측정하는이 일관된 수소 산란이 유용 할 수있는 특별한 경우가 있습니다.

Surfeit of hydrogen

수소의 표면

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.

이제 미국과 한국의 연구자들은 중성자 빔을 사용하여 진정한 골동품 동전과 가짜를 구별했습니다. 이 기술은 진정한 동전이 부식을 겪어 동전 내에 수소 함유 화합물을 포함 시킨다는 사실에 의존합니다.

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.

콜로라도의 NIST (National Institute of Standards and Technology)의 Youngju Kim과 Daniel Hussey가 이끄는이 팀은 개별 동전을 통해 중성자의 평행 빔을 발사했습니다 (그림 참조). 입자는 동전의 원래 금속을 통해 쉽게 이동하지만 수소가 풍부한 부식 포함에 의해 산란되는 경향이 있습니다. 이것은 동전 뒤의 중성자에 민감한 스크린에 고강도 및 저 강도 영역의 2D 패턴을 만듭니다. 동전을 회전시키고 일련의 이미지를 촬영할 수 있습니다. 그런 다음 연구원들은 컴퓨터 단층 촬영을 사용하여 동전의 부식 영역을 보여주는 3D 이미지를 만듭니다.

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.

이 팀은이 중성자 단층 촬영 기술을 사용하여 난파선에서 회수 된 정통 19 세기 동전과 복제품으로 알려진 동전을 검사했습니다. 두 동전은 표면 부식을 가졌지 만, 부식은 복제품보다 정통 동전의 대부분으로 훨씬 더 깊게 확장되었습니다.

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.

연구원들은 또한 중성자 격자 간섭계라는 별도의 기술을 사용하여 동전 표면의 기공을 특성화했습니다. 모공은 묻히거나 침수 된 동전 표면에서 일반적으로 관찰됩니다. 정통 골동품 동전은 묻히거나 침수되는 반면, 복제 동전은 묻히거나 침수되어 더 정통하게 보이게합니다.

Small-angle scattering

작은 각도 산란

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.

중성자 격자 간섭계는 샘플에서 중성자의 작은 각각 산란을보고 약 1 nm ~ 1 미크론의 크기의 구조에 중점을 둡니다.

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.

이 팀은 정통 동전이 복제 동전보다 훨씬 더 작은 모공을 가지고 있으며, 이는 훨씬 더 큰 (밀리미터 규모) 모공이 지배적이었습니다.

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.

이 관찰은 동전이 묻히거나 침수 될 때 화학 반응으로 인해 금속이 표면에서 침출되어 밀리미터 크기의 모공을 만듭니다. 그러나 시간이 지남에 따라 추가 화학적 반응은 구리 탄산염과 같은 부식 부산물이 모공을 채우도록 유발합니다. 그 결과 오래된 정통 동전의 모공은 새로운 복제 동전의 모공보다 작습니다.

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.

이 팀은 이제 더 많은 한국 동전 및 기타 금속 인공물을 포함하기 위해 연구를 확장 할 계획입니다. 이 기술을 사용하여 골동품 동전의 부식 손상을 정확히 파악하여 코팅을 사용하여 이러한 영역을 보호 할 수 있습니다.

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.

동전 수집가와 딜러에게 중요 할뿐만 아니라 동전의 나이를 확인하는 능력은 연구에 동전의 존재를 사용하는 역사가와 경제학자에게 관심이 있습니다.

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.

이 연구는 메릴랜드에있는 NIST의 Research Reactor의 중성자를 사용하여 수행되었습니다. 이 시설은 2026 년에 문을 닫을 예정이므로 팀은 한국의 중성자 공급원을 사용하여 조사를 계속할 계획입니다.

The research is described in Scientific Reports.

이 연구는 과학 보고서에 설명되어 있습니다.