211service.com
En miniature synkrotron
Synkrotroner er enorme faciliteter, der kan producere intense røntgenstråler af høj kvalitet til videnskabelige formål. De spænder normalt på størrelse med en fodboldbane og koster hundredvis af millioner af dollars at bygge og drive. Men nu har forskere ved Lyncean Technologies , en startup i Palo Alto, CA, har krympet synkrotronen til størrelsen af et værelse. Denne miniature synkrotron tilbyder forskere en ny måde at udføre røntgeneksperimenter af høj kvalitet i deres egne laboratorier.
Røntgenbilleder i hjemmet: Et skematisk billede af miniaturesynkrotronen (øverst) viser elektronstråleinjektoren (grønt rør) og lagerringen. Elektronstrålen cirkulerer rundt i ringen og kolliderer med en laserimpuls ved hver tur og udsender røntgenstråler. Nederst: En detaljeret visning viser komponenterne i miniaturesynkrotronen, som passer ind i et rum.
Lyncean har bygget en prototype synkrotron og er ved at konstruere en anden, der skal installeres i år på Scripps Research Institute i La Jolla, CA. Den nye synkrotron vil blive brugt af Accelerated Technologies Center for gen til 3D-struktur , som er en del af National Institutes of Health's Protein Structure Initiative.
Bordpladeinstrumentet er ikke så kraftfuldt som de store synkrotroner, siger Ronald Ruth, Lynceans præsident og chefforsker. Men på den anden side er det langt billigere, og det er meget kompakt. Han sammenligner de nationale synkrotroner med supercomputere, hvor mange brugere skal konkurrere i begrænset tid på en af strålerne. [Synkrotronerne] adresserer det nyeste, siger Ruth. De skubber konvolutten. Men deres indflydelse er kun så bred som antallet af mennesker, der er villige til at rejse for at tage dertil. Miniaturesynkrotronen er mere som en pc, siger han, delt af nogle få brugere og let tilgængelig.
Røntgenstråler er nyttige til at undersøge materialers egenskaber, da deres bølgelængde er omtrent den samme størrelse som atomer og de kemiske bindinger mellem dem. For eksempel er røntgenkrystallografi en vigtig metode til bestemmelse af proteinstruktur. Røntgenstråler diffrakterer, når de passerer gennem en proteinkrystal, og genererer et karakteristisk interferensmønster. Ved at analysere mønsteret kan forskerne udlede atomernes arrangement og dermed bestemme proteinets struktur.
Til denne slags undersøgelser har synkrotronstråling fordele i forhold til almindelige røntgenkilder: Den er hundrede millioner gange lysere og meget koncentreret, hvilket giver mulighed for meget præcise eksperimenter i høj opløsning. Synkrotroner producerer også en kontinuerlig kilde til røntgenstråler i stedet for de korte udbrud, der genereres fra almindelige røntgenrør. Og en synkrotrons lys kan indstilles, så forskerne kan matche energien med det materiale, der undersøges.
Kvaliteten af lyset fra miniaturesynkrotronen er lige så god som de store maskiner, siger Franz Pfeiffer, fysiker ved Paul Scherrer Institute og École Polytechnique Federale i Lausanne, Schweiz. Det er det, der gør det så attraktivt, siger han. [Det] kombinerer fordelen ved at have noget relativt lille med fordelene ved den ekstremt strålende stråle, der er tilgængelig gennem synkrotroner. Det er en meget rar ting at have.
Ruth fastslog først, at en miniature synkrotron kunne være mulig i slutningen af 1990'erne, da han var professor ved Stanford Linear Accelerator Center. Ruth og en kandidatstuderende, Zhirong Huang, ledte efter en måde at afkøle elektronstråler ved at få dem til at stråle. De fandt ud af, at at ramme strålerne med en laser ikke kun afkølede dem effektivt, men også genererede røntgenstråler.
Denne effekt viste sig at være nøglen til at krympe synkrotronen ned til størrelse. Store synkrotroner bruger magnetiske undulatorer, der vrikker elektronstrålen fra side til side, mens den cirkulerer rundt om en stor lagerring. Ruth forklarer, at den vrikke, i størrelsesordenen en centimeter, genererer røntgenstråler, der kastes af på en tangent til cirklen, ligesom en snurrende søgelys skinner lys.
Miniaturesynkrotronen bruger kun en bevægelig laserimpuls, der interagerer med elektronstrålen, hver gang den går rundt om lagerringen, som passer på en bordplade. Vrikningen er en titusindedel så lille - kun en mikrometer - og røntgenstrålerne afgives i en enkelt stråle.