Uuring kirjeldab lauale mahtuvat eredate ja koherentsete röntgenkiirte allikat

Koondatud kõrge energiaga röntgenkiirte tekitamine, mille abil saab uurida kõike alates molekulaarstruktuuridest lennukitiibade terviklikkuseni,  võib uue uurimuse kohaselt lihtsamaks ning odavamaks muutuda.

Ajakirja Nature Physics 24. oktoobril ilmunud numbris kirjeldavad Londonis asuvast Imperial College’ist, Michigani Ülikoolist ning Lissabonis asuvast Instituto Superior Téchnico Lisbon pärit uurijad lauale mahtuvat seadet, mis tekitab sünktrotron-röntgenkiiri, mille energia ja kvaliteet on võrreldavad mõnede maailma suurimate röntgenkiireseadmete poolt tekitatud kiirte näitajatega.

Teaduslikud ning meditsiinilised edusammud sõltuvad tihti järjest suurema lahutusvõimega ning  täpsemate uuringute võimaldamiseks diagnostiliste ning analüütiliste vahendite arengust. Suure energiaga valgusallikate arendamine ja kasutamine teadusliku töö ja ärieesmärkidel erinevate materjalide uurimiseks on kiiresti kasvav teadus- ja tehnikaharu. Siiski on suure võimsuse ja kõrge kvaliteediga röntgenkiirte allikad tavaliselt väga suured ning kallid. Näiteks Didcotis (Inglismaal) asuva Diamond Light Source sünkrotronseadme ümbermõõt on 0,5 km ning selle ehitamine läks maksma 263 miljonit naela.

Uurimuse autorid aga tõestasid, et nad suudavad laua peal järele teha paljutki, mida nende suurte masinate abil võimalik saavutada on.  Ülimalt lühikeste pliiatsijämeduste energiakiirte ning ruumiliselt koherentsete röntgenkiirte loomiseks kasutab nende väiksemõõtmeline süsteem peenikest heeliumijuga ning kõrgenergia laserit.

“See on väga põnev avastus,” ütles Londonis asuva Imperial College’i füüsikaosakonna uurimuse põhialgataja dr Stefan Kneip. “Oleme astunud esimesed sammud, et teha väga kõrge energia ning kvaliteediga röntgenkiirte loomine palju lihtsamaks ja odavamaks. Erinevalt tavalisest loovad meie üpris lihtsa süsteemi loomupärased omadused paarimillimeetrise kõrge kvaliteediga röntgenkiire, mis on võrreldav mitmesaja meetri pikkuste sünkrotroniseadmete poolt tekitavate kiirtega. Kuigi meie tehnika ei paku praegu otsest konkurentsi maailma vähestele suurtele röntgenkiirteseadmetele, võimaldab see  mõnel kasutusalal teha  tähtsaid mõõtmisi, mis pole siiani võimalikud olnud.”

Uue seadme loodavatel röntgenkiirtel on eriti lühike impulsipikkus. Nad lähtuvad väikesest, läbilõikes umbes 1 mikromeetri pikkusest, ruumiosast, mille tulemuseks on kitsas röntgenkiir, mis võimaldab uurijatel oma näidiste peeneid detaile näha. Need omadused ei ole teistes röntgenkiireseadmetes vabalt saadaval ning seega saaks uurijate süsteem suurendada juurdepääsu või luua uusi võimalusi arenenud röntgenkiirte abil kujutiste loomisel. Näiteks lubavad ülilühikesed impulsid teadlastel mõõta femtosekundilisel ajaskaalal toimuvaid aatomite ning molekulide vastastiktoimeid. Femtosekund on üks kvadriljondik sekundit.

Dr Zulfikar Najmudin, Imperial College’i Füüsikaosakonna katserühma juht, lisas: “Arvame, et meie süsteemilaadsel seadmel võiks olla palju kasutusalasid. Näiteks võib kõrgenergiliste röntgenkiirte kasutamine kunagi nii muljetvaldavalt meditsiiniliste röntgenülesvõtete resolutsiooni tõsta kui ka võimaldada lennukimootorite mikroskoopilisi pragusid lihtsamalt uurida. Seda võib ka uurimuste jaoks arendada, et teadlased saaksid nende röntgenkiirte ülilühikest impulssi võimatult väikestel ajavahemikel toimuva liikumise “külmutamiseks” kasutada.”

Oma uue süsteemi loomiseks viis meeskond Michigani Ülikooli Ülikiire Optilise teaduse Keskuses läbi eksperimendi, mis on oma põhimõttelt lihtne, kuid vajas moodsaid lasereid.  Nad suunasid HERCULES-e, väga kõrge energiaga laserkiire heeliumisse, et luua väike ioniseeritud heeliumi plasmasammas. Laseri impulss loob plasmasse positiivselt laetud heeliumiioonide mulli, mida ümbritseb negatiivselt laetud elektronide kate.

Sellise laengueralduse tõttu tekivad plasmamullis võimsad elektriväljad, mis nii kiirendavad plasmas elektronidest energiakiire moodustamist kui ka panevad selle “väänlema” . Kui elektronkiir võngub, eraldab see nendes katsetes mõõdetud kõrgelt kollimeeritud  kaasaleviva röntgenkiire.

See protsess on sarnane teistes sünkrotroniallikates toimuvaga, kuid toimub mikroskoopilisel tasandil.  Kiirendus ning röntgenkiirte eraldumine toimuvad vähem kui sentimeetrisel alal laua peale mahtuva röntgenkiireallika vaakumkambris, mis on igas suunas umbes meetrilaiune. Selline vähendamine võib viia palju odavama röntgenkiirteallikani. See loob ka nende eredate röntgenkiirte ainulaadsed omadused.

Uurimuses kirjeldavad uurijad esimest korda kiire tehnilisi omadusi ning esitlevad katsetest pilte, mis selle käitumist iseloomustavad.
Dr Najmudin järeldas, et “meie tehnikat saab nüüd kasutada detailsete röntgenpiltide loomiseks. Praegu arendame oma varustust ning arusaamu loomismehanismidest, et saaksime selle röntgenkiireallika kordumissagedust suurendada. Kõrgenergia lasereid on praegu üpris keeruline kasutada ning nad on kallid, mis tähendab, et me ei ole veel jõudnud tasemeni, kus oleks võimalik luua uus laialdaselt kättesaadav ja odav röntgenkiirte seade. Sellest hoolimata areneb lasertehnoloogia kiiresti nii, et oleme optimistlikud, et mõne aasta pärast on saadaval töökindlad ning lihtsalt kasutatavad röntgenseadmed, mis kasutavad meie avastusi.”

Allikas

Artikli kokkuvõte ajakirjas Nature Physics.