خطوة مهمة في تطوير تقنية ليزر الأشعة السينية

أعلن الباحثون عن خطوة مهمة في تطوير تقنية الجيل التالي لجعل نبضات ليزر الإلكترون الخالي من الأشعة السينية أكثر إشراقًا واستقرارًا. استخدموا مرايا مصطفة بدقة مصنوعة من الماس الصناعي عالي الجودة. وذلك لتوجيه نبضات ليزر الأشعة السينية حول مضمار سباق مستطيل داخل غرفة مفرغة.

مثل هذه الأجهزة هي في صميم أجهزة الليزر الخالية من الإلكترونات القائمة على التجويف، والتي يصممها العلماء لجعل نبضات ليزر الأشعة السينية أكثر إشراقًا ونظافة – أشبه بأشعة الليزر العادية اليوم.

تسليم الناجح لليزر الإلكترون الخالي من الأشعة السينية

قال مايك دن، مدير “Linac Coherent Light Source“: “إن التسليم الناجح لليزر الإلكترون الخالي من الأشعة السينية القائم على التجويف سيشكل بداية جيل جديد من علوم الأشعة السينية من خلال توفير قفزة هائلة في أداء الشعاع”. أشعة الليزر في مختبر التسريع الوطني  التابع لوزارة الطاقة، حيث تم تنفيذ العمل.

وقال “لا يزال هناك العديد من التحديات للتغلب عليها قبل أن نصل إلى هناك”. “لكن إظهار هذه الخطوة المتكاملة الأولى أمر مشجع للغاية، حيث يُظهر أن لدينا النهج والأدوات اللازمة للحفاظ على أداء التجويف العالي.”

وصف فريق بحث المختبر الوطني للأشعة عملهم في ورقة بحثية نُشرت في مجلة “Nature Photonics“. قالوا إن النتائج المبكرة كانت مشجعة للغاية، حيث أن المختبر يعمل بالفعل مع مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة، وهو متعاون منذ فترة طويلة في هذا الموضوع، لتصميم وتثبيت الإصدار التالي الأكبر من نظام التجويف التجريبي في نفق المختبر الوطني للأشعة المتموج.

مقال ذا صلة: زرع كلية خنزير داخل جسم متبرع وعملت لأكثر من شهر

جعل نبضات ليزر الأشعة السينية أشبه بالليزر

على الرغم من اسمها، نبضات ليزر الأشعة السينية ليست شبيهة بالليزر بالكامل بعد. يتم إنشاؤها عن طريق جعل الإلكترونات المتسارعة تتذبذب خلال مجموعات من المغناطيس تسمى المتموجات. هذا يجبرهم على إطلاق أشعة سينية، والتي يتم تشكيلها في نبضات قوية لسبر المادة على المستوى الذري. في المختبر الوطني للأشعة، تصل النبضات 120 مرة في الثانية، وهو معدل سيرتفع قريبًا إلى مليون مرة في الثانية.

ولكن بسبب الطريقة التي يتم بها توليد نبضات الليزر بالأشعة السينية، فإنها تختلف في شدتها وتحتوي على مزيج لا يمكن التنبؤ به من الأطوال الموجية. هذا يخلق ما يسميه العلماء “ضوضاء”، مما يفسد وجهة نظرهم للعينات التي يبحثون عنها.

مقال ذا صلة: زجاج الأسد: نوع جديد من الزجاج صديق للبيئة ومقاوم للضرر بعشر مرات

اقتراحات لحل مشكلة تطوير تقنية ليزر الأشعة السينية

تم اقتراح إدخال تجويف للتغلب على هذه المشكلة، وذلك بتبني الطريقة المستخدمة بواسطة الليزر الضوئي التقليدي. تزيد التجاويف من تماسك الليزر عن طريق اختيار الضوء ذو الطول الموجي الفردي بشكل تفضيلي. والذي تصطف قممه وقيعانه مع بعضها البعض. لكن المرايا التي تنعكس الضوء في تجاويف الليزر العادية لن تعمل مع نبضات ليزر الأشعة السينية. كل ما ستحصل عليه هو ثقب دخان في المرآة حيث تم حفر الأشعة السينية من خلاله.

قال ديلينج تشو، الذي قاد الفريق التجريبي مع زميل عالِم في مختبر الأشعة السينية. إن فكرة استخدام البلورات. ومؤخرًا بلورات الألماس الاصطناعية – كمرايا لتنعيم ومساعدة تضخيم نبضات الأشعة السينية داخل تجويف كانت موجودة منذ فترة طويلة. غابرييل ماركوس.

قال تشو: “كان السؤال هو كيفية إنتاج مرايا من الألماس بجودة عالية. بما يكفي وكيفية ترتيبها بدقة كافية لتوجيه الأشعة السينية حول التجويف”. “من الناحية المثالية، في حالتنا، يمكن أن يتلاءم التجويف أيضًا مع النفق الطويل الضيق الذي يضم مموج مختبر الأشعة الوطني.”

تشمل التحديات والابتكارات الإضافية العثور على أفضل طريقة لإخراج الأشعة السينية من التجويف. حتى يمكن استخدامها لإجراء التجارب وتبريد المرايا على النحو الأمثل، إذا لزم الأمر.

مقال ذا صلة: الموصل الفائق في درجة حرارة الغرفة LK-99

إعداد يشبه كرة الحديد

قال تشو إن مشروع التجويف التابع للمعهد الوطني للأشعة السينية بدأ منذ حوالي خمس سنوات مع بضع محادثات في الردهة. كما قد أدى ذلك إلى منحة البحث والتطوير الموجهة من المختبر من مدير المعهد الوطني للأشعة السينية لبناء الإعداد المستخدم في هذه الدراسة في القفص التجريبي مختبر الأشعة السينية.

كما قالت راشيل مارغراف، طالبة الدراسات العليا بجامعة ستانفورد. وهي أحد الباحثين الذين شاركوا في تصميم و أجرى التجربة وحلل النتائج.

وقالت: “كلما كان التجويف أكبر، كانت تفاوتات التوافق أكثر إحكامًا، وكان المجتمع العلمي متشككًا في إمكانية تحقيق هذه التفاوتات”.

يتكون الإعداد التجريبي من غرفتي تفريغ صندوقيتين تحتويان على مكونات التجويف. يتم توصيلهما بواسطة أنبوبين شعاعيين، يتم الاحتفاظ بهما أيضًا تحت التفريغ. من الجانب، كل شيء يشبه الحديد طوله 30 قدمًا.

تحتوي كل غرفة تجويف على مرآتين ماسيتين. وكل مرآة مثبتة على مجموعة من أربعة محركات تضبط بدقة موضعها وزاويتها على الشعاع. تقوم المرايا بتوجيه نبضات الأشعة السينية عبر أنابيب الشعاع ومن مرآة إلى أخرى.

مقال ذا صلة: مشاريع الهندسة الكهربائية المبهرة للطلاب الجامعيين

صناعة المرآة الماسية المثالية

كان تجميع واختيار وتشكيل المرايا الماسية جهدًا كبيرًا في حد ذاته.

تم تحضير الماس بواسطة كينجي تاماساكو، رئيس فريق قسم جهاز ليزر إكس-راي فري-إلكترون في مركز راكن اسبرينغ-8 في اليابان وهيئة عالمية في مجال الماس لأبحاث الأشعة السينية ، بالتعاون مع شريك في الصناعة.

قال تاماساكو إن زراعة بلورات الماس التي تكون نقية بما يكفي لأبحاث الأشعة السينية أمر صعب ، لأنه يجب زراعتها في درجات حرارة وضغوط عالية حيث يمكن لأدنى تغيير في الظروف أن يعطل نمو البلورات.

استخدم الفريق لأول مرة مجاهر الأشعة السينية من اسبرينغ-8. ومصدر الضوء الإشعاعي السنكروترون من ستانفورد في مركز الأشعة السينية الوطني لفحص كل بلورة بعناية واختيار الكرز الأقل عيوبًا في هيكلها البلوري. ثم حددوا المناطق داخل تلك البلورات التي كانت خالية من العيوب للمعالجة في المرايا.

وقال تاماساكو: “جودة الماس الطبيعي لا يمكن أن تنافس جودة الماس المستخدم في الدراسة الحالية”.

تم تقطيع أجزاء شبه مثالية من الكريستال الماسي باستخدام الليزر ، أولاً إلى ألواح ثم إلى أشكال S يبلغ طولها حوالي خمس البوصة التي تم صقلها للحصول على لمعان عالٍ ، وهي عملية طورها الخبراء في Argonne لأول مرة. تحتوي المرايا على علامات يمكن تثبيتها على الجهاز التجريبي دون الضغط على المرآة نفسها.

مقال ذا صلة: أفضل كليات الهندسة الميكانيكية على مستوى العالم

نتائج ناجحة

كان الغرض من هذه التجربة هو معرفة طول ومدى كفاءة نبضات ليزر الأشعة السينية التي يمكن أن تدور داخل التجويف. دخلت نبضات الليزر في مركز الأشعة السينية الوطني الإعداد 120 مرة في الثانية عبر محزوز الماس الدقيق المصنوع في حرم جامعة ستانفورد. قاموا بضرب كل من المرايا بدورهم، وأكملوا ما يصل إلى 60 لفة – طول كل منها حوالي 46 قدمًا – قبل أن يتبددوا.

قال الباحثون إن كفاءة السفر ذهابًا وإيابًا داخل إعداد التجويف كانت أكثر من 96٪ – قريبة من الحد النظري لأداء المرآة. وأكثر من كافية لدعم شعاع ليزر عالي الجودة بأشعة إكس.

في النهاية، الهدف هو تخزين نبضات الأشعة السينية وتدويرها في التجويف ثم إرسالها من خلال المموج لمرافقة شعاع الإلكترون أثناء تذبذبها عبر المغناطيس. قال تشو إن تكرار هذه الدورة من 10 إلى 100 مرة يجب أن يخلق أشعة ليزر للأشعة السينية متماسكة ومستقرة مثل أشعة الليزر الضوئية الحالية. سيصبح هذا ممكنًا مع الانتهاء من ترقيات مركز الأشعة الوطني التي تزيد بشكل كبير من الطاقة ومعدل تكرار نبضات ليزر الأشعة السينية.

مزيد من المعلومات: تخزين مستقر منخفض الخسارة يبلغ 1.2 نبضات من الأشعة السينية في تجويف هنا

معلومات المجلة: Nature Photonics