Lavkvalitets bordpladekilde til ultrakorte elektronstråler kunne erstatte røntgenapparater i bilstørrelse

Ultrashort -udbrud af elektroner har flere vigtige anvendelser inden for videnskabelig billeddannelse, men at producere dem har typisk krævet en dyr, strømhungrende apparat på størrelse med en bil.

I journalen Optica , forskere på MIT, den tyske synkrotron, og University of Hamburg i Tyskland beskriver en ny teknik til generering af elektronudbrud, som kunne være grundlaget for en sko i æske, der kun bruger en brøkdel så meget strøm som sine forgængere.

Ultrashort elektronstråler bruges til direkte at indsamle oplysninger om materialer, der undergår kemiske reaktioner eller ændringer i fysisk tilstand. Men efter at have været affyret en partikelaccelerator en halv kilometer lang, de bruges også til at producere ultrakorte røntgenstråler.

Sidste år, i Naturkommunikation , samme gruppe af MIT- og Hamburg -forskere rapporterede prototypen på en lille "lineær accelerator", der kunne tjene det samme formål som den meget større og dyrere partikelaccelerator. Den teknologi, sammen med en højere energiudgave af den nye "elektronpistol, "kunne bringe billedkraften i ultrakorte røntgenpulser til akademiske og industrielle laboratorier.

Ja, mens elektronudbrud rapporteret i det nye papir har en varighed målt i hundredvis af femtosekunder, eller kvadrilliondeler af et sekund (hvilket handler om, hvad de bedste eksisterende elektronkanoner kan klare), forskernes tilgang har potentiale til at sænke deres varighed til et enkelt femtosekund. Et elektronudbrud på et enkelt femtosekund kan generere attosekundrøntgenpulser, hvilket ville muliggøre real-time billeddannelse af cellulære maskiner i aktion.

"Vi bygger et værktøj til kemikerne, fysikere, og biologer, der bruger røntgenlyskilder eller elektronstrålerne direkte til at lave deres research, "siger Ronny Huang, en MIT -ph.d. -studerende i elektroteknik og første forfatter på det nye papir. "Fordi disse elektronstråler er så korte, de giver dig mulighed for lidt at fryse elektronernes bevægelse inde i molekyler, da molekylerne undergår en kemisk reaktion. En femtosekund røntgen lyskilde kræver mere hardware, men den anvender elektronkanoner. "

I særdeleshed, Huang forklarer, med en teknik kaldet elektrondiffraktionsbilleddannelse, fysikere og kemikere bruger ultrakorte udbrud af elektroner til at undersøge faseændringer i materialer, såsom overgangen fra en elektrisk ledende til en ikke -ledende tilstand, og oprettelse og opløsning af bindinger mellem molekyler i kemiske reaktioner.

Ultrashort røntgenpulser har de samme fordele som almindelige røntgenstråler:De trænger dybere ned i tykkere materialer. Den nuværende metode til fremstilling af ultrakorte røntgenstråler indebærer at sende elektronudbrud fra en elektronpistol i bilstørrelse gennem en milliard dollar, kilometerlange partikelaccelerator, der øger deres hastighed. Derefter passerer de mellem to rækker magneter-kendt som en "undulator"-som konverterer dem til røntgenstråler.

I papiret, der blev offentliggjort sidste år-om hvilket Huang var medforfatter-MIT-Hamburg-gruppen, sammen med kolleger fra Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter i Hamburg og University of Toronto, beskrev en ny tilgang til accelerationselektroner, der kunne krympe partikelacceleratorer til bordpladestørrelse. "Dette formodes at supplere det, "Huang siger, om det nye studie.

Franz Kärtner, som var professor i elektroteknik ved MIT i 10 år, inden han flyttede til den tyske Synchrotron og University of Hamburg i 2011, ledet projektet. Kärtner er fortsat hovedforsker ved MIT's Research Laboratory of Electronics og er Huangs specialrådgiver. Han og Huang får selskab på det nye papir af otte kolleger fra både MIT og Hamburg.

Underbølgelængdeindeslutning

Forskernes nye elektronpistol er en variation af en enhed kaldet en RF -pistol. Men hvor RF -pistolen bruger radiofrekvens (RF) stråling til at accelerere elektroner, den nye enhed bruger terahertz -stråling, båndet af elektromagnetisk stråling mellem mikrobølger og synligt lys.

Forskernes enhed, som er på størrelse med en tændstikæske, består af to kobberplader, der, i deres centre, er kun 75 mikrometer fra hinanden. Hver plade har to bøjninger i den, så det ligner et trifold brev, der er blevet åbnet og sat på siden. Pladerne bøjer i modsatte retninger, så de er længst fra hinanden - 6 millimeter - ved deres kanter.

I midten af ​​en af ​​pladerne er et kvartsslide, hvorpå der er afsat en film af kobber, der, på det tyndeste, er kun 30 nanometer tyk. Et kort lysudbrud fra en ultraviolet laser rammer filmen på det tyndeste sted, skurrende løse elektroner, som udsendes på den modsatte side af filmen.

På samme tid, et udbrud af terahertz -stråling passerer mellem pladerne i en retning vinkelret på laserens. Al elektromagnetisk stråling kan tænkes at have elektriske og magnetiske komponenter, som er vinkelret på hinanden. Terahertz -strålingen er polariseret, så dens elektriske komponent accelerer elektronerne direkte mod den anden plade.

Nøglen til systemet er, at tilspidsningen af ​​pladerne begrænser terahertz-strålingen til et område-det 75 mikrometer store hul-der er smallere end dets egen bølgelængde. "Det er noget særligt, "Siger Huang." Typisk, i optik, du kan ikke begrænse noget til under en bølgelængde. Men ved hjælp af denne struktur kunne vi. Ved at begrænse det øger energitætheden, hvilket øger accelerationskraften. "

På grund af den øgede accelerationskraft, enheden kan nøjes med terahertz-stråler, hvis effekt er meget lavere end radiofrekvensstrålerne, der bruges i en typisk RF-pistol. I øvrigt, den samme laser kan generere både den ultraviolette stråle og, med et par ekstra optiske komponenter, terahertz -strålen.

Ifølge James Rosenzweig, professor i fysik ved University of California i Los Angeles, det er et af de mest attraktive aspekter ved forskernes system. "Et af de største problemer, du har med ultrahurtige kilder som dette, er timing jitter mellem, sige, laser- og accelerationsfeltet, som producerer alle slags systematiske effekter, der gør det sværere at udføre tidsopløst elektrondiffraktion, "Siger Rosezweig.

"I tilfælde af Kärtners enhed, laseren producerer terahertz og producerer også fotoelektronerne, så rystelsen er stærkt undertrykt. Du kan lave pumpesondeeksperimenter, hvor laseren er driveren og elektronerne ville være sonden, og de ville være mere succesrige end det, du har lige nu. Og selvfølgelig ville det være en meget lille og beskeden enhed. Så det kan vise sig at være meget vigtigt, for så vidt dette scenario rækker. "