پیش به سوی فیلم های اشعه ایکس

به گزارش کلیک ، انفجارهای فوق کوتاه الکترون ها، چندین کاربرد مهم در تصویر برداری علمی دارد، اما تولید آنها معمولا به دستگاههای پرهزینه و پر مصرفی نیاز دارد که تقریبا به اندازه یک اتومبیل هستند.
در نشریه اپتیکا (Optica)، محققان دانشگاه ام آی تی، سینکروترون آلمانی، و دانشگاه همانبورگ آلمان، روشی جدید برای تولید انفجارهای الکترونی تعریف کرده اند که می تواند پایه ای برای ساخت یک دستگاه به اندازه جعبه کفش باشد. مصرف توان این دستگاه کسری از توان مصرفی پیشینیان آن است.

پرتوهای الکترونی فوق کوتاه، برای جمع آوری مستقیم اطلاعات در مورد موادی که تحت واکنش های شیمیایی یا تغییر در حالت فیزیکی قرار دارند، به کار می روند. البته وقتی این پرتوها بعد از آن که از یک شتاب دهنده ذرات با طول نیم مایل خارج شدند، برای تولید پرتوهای ایکس فوق کوتاه نیز به کار می روند.

سال گذشته در نشریه ارتباطات طبیعت (Nature Communications)، همین گروه از محققان ام آی تی و هامبورگ ساخت نمونه اولیه یک "شتاب دهنده خطی" کوچک را گزارش کردند که می تواند به جای شتاب دهنده های خیلی بزرگتر و گران قیمت تر به کار رود. این فناوری، یک نسخه پر انرژی تر از "تفنگ الکترونی" جدید را به همراه دارد که قدرت تصویر برداری پالسهای اشعه ایکس را به آزمایشگاههای دانشگاهی و صنعتی می آورد.

در واقع، مدت زمان انفجار های الکترونی گزارش شده در این مقاله جدید، صدها فمتوثانیه یا یک کادریلیونم ثانیه بود (کادریلیون = عدد ۱ با ۱۵ صفر به توان ۲) ( که تقریبا برابر با زمان بهترین تفنگ های الکترونی موجود است ). البته روش جدیدی که این محققان معرفی کرده اند، این پتانسیل را دارد که مدت زمان انفجارهای الکترونی را به یک فمتوثانیه برساند. انفجار الکترونی در مدت زمان یک فمتوثانیه، می تواند پالس های اشعه ایکس آتوثانیه ای تولید کند، و به این ترتیب، تصویر برداری زمان واقعی از دستگاههای سلولی در حال فعالیت امکان پذیر می شود.

به گفته رونی هوانگ، دانشجوی دکتری رشته مهندسی برق دانشگاه ام آی تی و اولین نویسنده این مقاله جدید، "ما در حال ساخت ابزاری برای شیمی دان ها، فیزیک دان ها و زیست شناسان هستیم؛ افرادی که از منابع نور اشعه ایکس یا پرتوهای الکترونی مستقیما برای انجام تحقیقات خود استفاده می کنند. از آنجایی که این پرتوهای الکترونی بسیار کوتاه هستند، به شما امکان می دهند تا در زمانی که مولکول ها وارد یک واکنش شیمیایی می شوند، به نحوی حرکت الکترون ها در داخل مولکول ها را متوقف کنید. ساخت یک منبع نور اشعه ایکس فمتوثانیه ای، به سخت افزارهای بیشتری نیاز دارد، اما فعلا از تفنگ های الکترونی استفاده می کند".

هوانگ توضیح می دهد که چگونه با استفاده از تکنیکی که تصویر برداری پراش الکترونی نامیده می شود، فیزیکدانها و شیمی دان ها از انفجار های فوق کوتاه الکترونها استفاده می کنند تا تغییر فاز در مواد را بررسی نمایند؛ تغییر فازهایی مانند گذار از رسانایی الکتریکی به حالت نارسانا، و ایجاد و انحلال پیوندهای میان مولکول ها در واکنش های شیمیایی.

پالس های اشعه ایکس فوق کوتاه همان مزایای پرتوهای ایکس معمولی را دارند؛ علاوه بر اینکه، در مواد ضخیم تر تا عمق بیشتری نفوذ می کنند. روشی که در حال حاضر برای تولید اشعه ایکس فوق کوتاه به کار می رود، شامل ارسال انفجارهای الکترونی از یک تفنگ الکترونی در ابعاد یک خودرو، و سپس عبور آن از یک شتابدهنده می شود که حدود یک میلیارد دلار قیمت و یک کیلومتر طول دارد. به این ترتیب سرعت آنها افزایش می یابد. سپس آنها از میان دو ردیف از آهنرباها، که Undulator نامیده می شوند، عبور کرده و به پرتوی ایکس تبدیل می شوند.

در یکی از مقالاتی که سال گذشته منتشر شد و هوانگ هم یکی از نویسندگان آن بود، گروه مشترک دانشگاه ام آی تی و هامبورگ به همراه همکارانی از موسسه ساختار و دینامیک ماده ماکس پلانک در هامبورگ و دانشگاه تورنتو، روشی جدید برای شتابدهی الکترون ها توصیف کردند که می تواند اندازه شتابدهنده های ذرات را به اندازه یک دستگاه رومیزی در آورد. هوانگ در مورد این تحقیق جدید می گوید: "قرار است تکمیل شود".
فرانز کارتنر، کسی که پیش از انتقال به سینکروترون آلمان و دانشگاه هامبورگ در سال ۲۰۱۱، به مدت ده سال استاد مهندسی برق در دانشگاه ام آی تی بود، رهبری این پروژه را به عهده گرفت. کارتنر همچنان یکی از محققان برجسته و اصلی آزمایشگاه تحقیقات الکترونیک ام آی تی است و استاد مشاور هوانگ می باشد. او و هوانگ به ۸ محقق دیگری ملحق شدند که از دانشگاه ام آی تی و هامبورگ آمده اند و روی این مقاله کار می کنند.

حبس در فضای کوچکتر از طول موج
این تفنگ الکترونی محققان، نوع جدید دستگاهی است که تفنگ RF نامیده می شود. تفاوت این دو در آن است که تفنگ RF برای تابش پرتوهایی با فرکانس رادیویی (RF) و شتابدهی به الکترونها استفاده می شود، اما این دستگاه جدید از امواج تراهرتز ، یعنی باندی از پرتوهای الکترومغناطیسی میان امواج مایکروویو و نور مرئی، استفاده می کند.

این دستگاه که اندازه آن تقریبا به اندازه یک قوطی کبریت است، از دو صفحه مسی تشکیل شده که مراکز آنها فقط ۷۶ میکرون با هم فاصله دارند. هر صفحه دو خمیدگی در خود دارد. مثل کاغذ نامه ای که دو بار تا خورده و اکنون باز شده است. جهت تا خوردگی این صفحات مخالف یکدیگر است تا لبه های آنها در دورترین فاصله ممکن از یکدیگر قرار بگیرد (یعنی ۶ میلی متر).
در مرکز یکی از این صفحات، یک اسلاید از جنس کوارتز وجود دارد که یک فیلم مسی را در خود جای داده، و در باریکترین نقطه، فقط ۳۰ نانومتر ضخامت دارد. انفجار کوتاه نور از یک لیزر فرابنفش، در باریکترین نقطه فیلم با آن برخورد می کند، پیوند الکترونها سست می شود و از سمت دیگر فیلم از آن جدا می گردند.
در همان زمان، امواج تراهرتز از میان صفحات و در جهتی که عمود بر جهت نور لیزر است عبور می کنند. همه امواج الکترومغناطیسی یک مولفه ی الکتریکی و یک مولفه مغناطیسی دارند، که عمود بر یکدیگر هستند. امواج تراهرتز قطبیده می شوند تا مولفه الکتریکی آن، الکترون ها را مستقیما به سمت صفحه دوم شتاب دهد.

نکته اصلی این سیستم، نزدیکی تدریجی صفحات است که باعث می شود امواج تراهرتز در یک ناحیه معین، یعنی یک شکاف ۷۵ میکرومتری، محبوس شوند. این ناحیه از طول موج این امواج باریکتر است. هوانگ می گوید: "این اتفاق ویژه ای است. معمولا در اپتیک، نمی توانید چیزی را در محدوده ای که کوچکتر از طول موج آن است محبوس کنید. اما با استفاده از این ساختار، این توانایی را به دست آوردیم. محبوس کردن امواج، چگالی انرژی آنها را بالا می برد ، و به این ترتیب قدرت شتابدهی آنها افزایش می یابد".
به دلیل همین افزایش قدرت شتابدهی، دستگاه می تواند کار خود را با پرتوهای تراهرتز انجام دهد ، که قدرت آنها خیلی کمتر از پرتوهای فرکانس رادیویی به کار رفته در یک تفنگ RF معمولی می باشد. علاوه بر آن، همان لیزر می تواند هم پرتوهای فرابنفش تولید کند، و هم با چند مولفه اپتیکی بیشتر، پرتوهای تراهرتز تولید نماید.

به گفته جیمز روزنویگ ، استاد فیزیک دانشگاه کالیفرنیا در لس آنجلس، این یکی از جذاب ترین جنبه های سیستم مورد مطالعه محققان است. "یکی از مشکلات اصلی که با منابع فوق سریعی مانند این دستگاه داریم، لرزش زمانی (timing jitter) میان لیزر و میدان شتابدهنده می باشد. این لرزش، انواع آثار سیستماتیکی که پراش الکترونیکی را سخت تر می کنند، تولید می نماید".
"در دستگاه کارتنر، لیزر امواج تراهرتز و همچنین فوتوالکترون هایی تولید می کند و در نتیجه لرزش تا حد زیادی سرکوب می شود. می توانید آزمایش های پروب پمپی را انجام دهید .در این آزمایش ها لیزر یک محرک بوده و الکترون ها پروب هستند. این روش از آنچه که در حال حاضر انجام می دهید موفق تر عمل می کند. البته این دستگاه، یک دستگاه بسیار کوچک با هزینه نسبتا کم است. در نتیجه تا زمانی که آن سناریو اجرایی نشده است، این دستگاه بسیار اهمیت خواهد داشت".

بودجه این کار تحقیقاتی توسط دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی ایالات متحده و شورای تحقیقات اروپا تامین شد. رونی هوانگ، تحت حمایت بورسیه تحصیلی دانش آموختگان مهندسی و علوم دانشگاه دفاع ملی قرار دارد.