Minijaturni izvor rendgenskih zraka donosi elektrone na kotačima

Istraživači pružaju sjajno X-zračenje jeftino i s malo prostora

Pogledajte unutar valjka. Vođeni laserskom svjetlošću (crvena), elektroni (žuti) lete kroz unutrašnjost valjka. Prolaze magnetska polja koja se mijenjaju. Na njihovom sinusoidnom toku čestice se usporavaju i ubrzavaju. Šalju rendgenske zrake. © Thorsten Naeser / Christian Hackenberger
čitati naglas

Tim fizičara po prvi je put uspio reducirati izvore rendgenskih zraka, koji su obično nekoliko kilometara, na veličinu stola za objedovanje. U tu svrhu, istraživači koriste novu metodu, kombinaciju laserske svjetlosti i vodikove plazme. O svojim nalazima izvještavaju u internetskom izdanju Nature Physics.

Od svog otkrića krajem 19. stoljeća, X-zrake su pružale uvid u svjetove nevidljive ljudskom oku. Danas je zračenje iz medicine, fizike, znanosti o materijalima i kemije neophodno. U međuvremenu možete ga koristiti za vizualizaciju struktura koje nisu veće od atoma.

Međutim, trebate takozvano "sjajno X-zračenje". Danas se proizvodi u kilometrima i skupim akceleratorima, što otežava pristup široj javnosti. Samo nekoliko biljaka u svijetu sposobno je proizvesti ovo sjajno rendgensko zračenje uz velike troškove. Sjajno zračenje snopi puno fotona (svjetlosnih čestica), koji se također kreću u istoj traci.

Na putu do "sjajnog X-zračenja"

Tim koji predvode profesor Florian Grüner i profesor Stefan Karsch iz Laboratorija za attosekundnu fiziku (LAP) Sveučilišta u Minhenu (LMU) i Instituta Max Planck za kvantnu optiku (MPQ) u Garchingu udružio se s kolegama iz Forschungszentrum Dresden-Rossendorf i Clarendon Cilj sveučilišne laboratorije Oxford je osigurati sjajno rentgensko zračenje jeftino i s malo prostora.

Fizičari su sada došli do važne prekretnice. Uz pomoć intenzivne laserske svjetlosti i plazme atoma vodika, mogli su proizvesti rendgenske zrake valne duljine od oko 18 nanometara (meko rendgensko zračenje) po prvi puta u laboratoriju LMU i MPQ. Fizičari su koristili laserske impulse koji traju samo nekoliko femtosekundi. Femtosekunda je milijun od milijarde sekunde. U ovom ultra kratkom vremenu svjetlosni impulsi dostižu iznose od oko 40 teravata. Za usporedbu, nuklearna elektrana proizvodi snagu od oko 1.000 megavata, što je 1000 puta manje. prikaz

Gigantska dostignuća Pulsa postižu se tek njihovim krajnjim kratkim. Jaka električna i magnetska polja svjetlosnih impulsa oslobađaju elektrone iz atoma vodika i tako stvaraju plazmu. Ti se elektroni ubrzavaju do približavajuće brzine svjetlosti istim laserskim impulsom na udaljenosti od samo 15 mm, što je tisuću puta kraća udaljenost nego što je potrebno u prethodno korištenim tehnologijama.

Profesor Florian Gr ner (l) i profesor Stefan Karsch pred postavljanjem pokusa za izvor rendgenskih zraka pokretanih laserom. Thorsten Naeser

Magnetsko polje donosi elektrone na kotačima

Elektroni tada ulaze u uzlazni uređaj, uređaj dugačak oko 30 centimetara i širok pet centimetara. To stvara izmjenično magnetsko polje u svojoj unutrašnjosti, koje prisiljava elektrone na sinusoidni tok. Čestice se ubrzavaju naprijed-nazad, emitirajući fotone u području mekih rendgenskih zraka. Do danas, u drugom pokusu koji se koristio sličnim metodama, moglo se generirati samo svjetlo koje je u vidljivom ili infracrvenom rasponu, odnosno ima puno veće valne duljine od X-zraka.

Razlog zašto želite imati što kraću svjetlosnu valnu duljinu jesu zakoni optike. Kažu da svjetlo možete koristiti samo za predstavljanje struktura koje odgovaraju veličini njihovih valnih duljina. To znači: Ako se, primjerice, predmet pregleda rendgenskom svjetlošću valne duljine od 18 nanometara, mora biti barem toliko velik koliko se može vidjeti. Atomi i mnoge molekule mnogo su manji.

Skraćivanje valne duljine X-zračenja proizvedenog laserom sljedeći je projekt znanstvenika. "U osnovi, naš eksperiment pokazao je da se u sveučilišnom laboratoriju može stvoriti rendgensko zračenje pomoću ultrazvučnih svjetlosnih impulsa", objašnjava Gr ner. Ali potencijal odvlakača mnogo je veći. "Naš eksperiment utrljava put jeftinom izvoru laserskih zraka", predviđa Gr ner.

Istraživači žele povećati energiju elektrona

U sljedećem koraku, fizičari žele dodatno povećati energiju elektrona koji lete kroz neulator. Da bi to učinili, znanstvenici će povećati energiju svjetlosnih impulsa koje stvaraju elektroni. Veliki cilj tima oko Gr nera je realizacija laserski upravljanog lasera sa slobodnim elektronima, čija je svjetlost oko milion puta jača od sada već izmjerenog zračenja neutulatora. Zračenje bi tada trebalo imati samo valnu duljinu od nekoliko desetina nanometra.

Prema istraživačima, on može pružiti potpuno nove, detaljne uvide u mikrokosmos prirode. Isto tako, zračenje može pomoći, na primjer, u medicini da otkrije najmanji tumor prije nego što se raširi u tijelu. Šanse za oporavak raka znatno bi se povećale.

(idw - München-Centar za naprednu fotoniku (MAP), 28.09.2009. - DLO)