Simülasyonlar, lazer-plazma hızlandırıcının biyolojik görüntüleme için parlak X ışınları üretebileceğini gösteriyor

Dalga boyları yaklaşık 2,3 ila 4,4 nanometre arasında olan, yani su penceresi adı verilen X ışınları, biyolojik örneklerin doğal, sulu ortamlarında incelenmesi için özellikle çok uygundur. Ancak bugüne kadar, yalnızca büyük ölçekli hızlandırıcı sistemlerdeki serbest elektron lazerleri bunu üretebildiğinden, bu tür radyasyona uygun kalite ve yoğunlukta erişmek teknik olarak zor olmuştur.

Heinrich Heine Üniversitesi Düsseldorf (HHU), ELI Beamlines araştırma tesisi ve Strathclyde Üniversitesi’nden bir Avrupalı ​​araştırma ekibi, araştırmacıların dergide bildirdiği gibi, model simülasyonlarında lazer plazma tabanlı parçacık hızlandırıcıların bu radyasyon aralığına kolay erişim sağlayabileceğini gösterdi Doğa İletişimi.

Biyolojik sistemler büyük ölçüde sudan oluşur. Buna karşılık biyolojik moleküller örneğin karbon ve nitrojen içerir. Bu tür moleküllerin yüksek çözünürlükte tasvir edilmesi söz konusu olduğunda, suyun şeffaf olduğu ancak diğer atomlar tarafından güçlü bir şekilde emildiği elektromanyetik radyasyon faydalıdır. Ve bu tam olarak yumuşak X-ışını radyasyonu için geçerlidir. “su penceresi.”

HHU’daki güçlü alan lazer plazma fiziği grubunun lideri ve çalışmanın ilgili yazarı Dr. Bernhard Hidding şunları söyledi: “Bugüne kadar araştırma topluluğu, biyolojik incelemeler için yeterince parlak radyasyon elde etmek amacıyla, geleneksel elektron hızlandırıcılarına dayanan kilometre uzunluğundaki serbest elektron lazer sistemlerine güveniyordu. Çekya’daki Dolní Břežany’deki ELI Beamlines tesisi ve İskoçya’daki Strathclyde Üniversitesi ile birlikte farklı bir yaklaşım benimsiyoruz: Temel yönleri Düsseldorf’ta geliştirilen, lazer plazma teknolojisine dayalı kompakt bir elektron hızlandırıcı kullanmak istiyoruz.”

Bir lazer-plazma hızlandırıcıda, yüksek yoğunluklu bir lazer darbesi, bir gazda bir plazma dalgası üretir. Son derece yüksek alan yoğunluğu, elektronları yalnızca birkaç santimetrelik alanda neredeyse ışık hızına kadar hızlandırabilir.

Hidding’in Strathclyde Üniversitesi’ndeki çalışma grubunda doktora araştırmacısı ve çalışmanın baş yazarı Lily Berman şunları söyledi: “Simülasyonlarımız, ‘manyetik dalgalandırıcılar’daki yeni, ultra parlak elektron darbelerinin, yalnızca birkaç metre içinde maksimum miktarda elektron enerjisinin X-ışını enerjisine dönüştürüldüğü X-ışını flaşları üretebildiğini gösteriyor. Süreç aynı zamanda çok sağlam olmalı ve esnek bir şekilde ayarlanabilir olmalıdır.”

ELI (Extreme Light Infrastructure) araştırma tesisinde baş araştırmacı olan Dr. Fahim Habib şunları söyledi: “Böyle bir radyasyon kaynağının serbest elektron lazeri olarak çalışıp çalışamayacağı öncelikle elektron ışınlarının kalitesine bağlıdır. Çalışmamız yeni, hibrit bir lazer-plazma hızlandırıcının gerekli önkoşulları yaratabileceğini gösteriyor. Bu yaklaşımı yakın gelecekte deneysel olarak test edeceğiz.”

Gelecekteki beklentilere ilişkin olarak Hidding şunları söyledi: “Böyle bir sistem çok kompakt olduğundan ve geleneksel parçacık hızlandırıcıların maliyetinin çok altında bir maliyetle inşa edilebildiğinden, üniversitelerde ve araştırma tesislerinde de kurulabilir veya ticari amaçlarla kullanılabilir. Su pencereli X-ışını görüntüleme ve spektroskopi böylece yalnızca birkaç büyük ulusal laboratuvardan daha geniş araştırma ortamına genişletilebilir.”

Arka Plan: Salınımcılar ve serbest elektron lazerleri

Bir salındırıcı, alternatif polariteye sahip bir dizi dipol mıknatıstan oluşan bir yapıdır. Bir elektron bu mıknatıslardan geçtiğinde sinüzoidal bir yola zorlanır. Meydana gelen sürekli ivme, parçacıkların sinkrotron radyasyonu (dalga boyu sinüzoidal çizginin şekli ve genliği aracılığıyla hassas bir şekilde kontrol edilebilen elektromanyetik radyasyon) yaymasına neden olur.

Saldırgan teknolojisine dayanan bu yöntem, halihazırda yayılan radyasyonun sonraki elektronlarla etkileşime girerek onları küçük paketler halinde topladığı gerçeğinden yararlanır. Saldırgandan bir sonraki geçiş sırasında, bu paketler sinkrotron radyasyonunu aynı fazda yayarlar; tüm ışık dalgaları tam olarak aynı hızda salınır. Genel olarak, serbest elektron lazerindeki radyasyon, geleneksel lazerde olduğu gibi çığ mekanizmasıyla güçlendirilir. Sistem, geniş bir dalga boyu aralığına ayarlanabilen ultra kısa, son derece parlak ışık darbeleri üretir.