Die Strahlung riesiger Synchrotrons enthüllt die Geheimnisse der Mikrowelt
Stell dir das Unmögliche vor. Wir betreten einen dunklen Raum mit einer brennenden Laterne, binden ein Seil an die Laterne und beginnen, sie stark zu drehen. Sein Licht wird zuerst Objekt um Objekt aus der Dunkelheit ziehen, dann beschleunigen wir die Laterne, und ihr Licht wird zuerst zu einem Ring verschmelzen und dann tangential abfallen und das für die Forschung notwendige Material mit einem sofortigen, unerträglichen Blitz erhellen. Sie werden sagen: "Das passiert nicht" - und Sie werden recht haben.
Aber nur, wenn es eine Laterne ist. Wenn jedoch Elektronen- oder Protonenbündel in einem zyklischen, einem riesigen Donut ähnlichen Beschleuniger auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, dann kann man einen Effekt erzielen, der an das beschriebene Experiment erinnert. Mit anderen Worten, es wird Synchrotronstrahlung geben.
Das Feld geht in Führung
Beim Beschleunigen beginnt die Ladung elektromagnetische Wellen senkrecht zur Beschleunigungsrichtung abzustrahlen. Wenn sich eine Ladung entlang eines Kreises bewegt, ist die Zentripetalbeschleunigung immer zum Zentrum gerichtet, und daher verläuft die Strahlung tangential (senkrecht zum Radius, entlang dem die Beschleunigung gerichtet ist). Je schneller sich die Ladung bewegt (oder je steiler ihre Drehung), desto größer die Beschleunigung und damit desto härter die Strahlung.
Aufgrund der Tatsache, dass die Synchrotronstrahlung den größten Teil der vom Beschleuniger verbrauchten Energie verbraucht, könnte man dies als schädlichen Nebeneffekt betrachten. Aber wenn Sie einen mehrere zehn Meter langen "Drain" -Vakuumkanal bauen und den Strahl auf das zu untersuchende Ziel richten, dann wird die ultrahohe Intensität und die schmale Richtwirkung wie ein Laserstrahl ihn zu einem wunderbaren Werkzeug machen für Forschung. Der Blitz der Synchrotronstrahlung dauert weniger als eine Milliardstel Sekunde und wiederholt sich bei jedem Zyklus des Elektronenstrahls. Das heißt, mit einer Pause von wenigen Mikrosekunden. Im "Licht" dieses Aufflackerns ist es bequem, intensive Prozesse zu untersuchen, die sehr schnell ablaufen. Zum Beispiel, um zu "fotografieren", was zum Zeitpunkt der Detonation im Sprengstoff passiert. Heute wird Synchrotronstrahlung in der Materialforschung, Medizin und Biotechnologie eingesetzt.
Am Anfang war das Röntgen
Der deutsche Physiker Konrad Röntgen, der 1895 bis dahin unbekannte Strahlen entdeckte, nannte sie Khluchi, weil er ihre Natur nicht verstand. Aber Sie können das Phänomen verwenden, ohne zu verstehen, wie es passiert. Und wie sofort klar wurde, ermöglichen Röntgenstrahlen (wie sie auf Russisch heißen) einen Blick in das Innere fester Körper. Und das nicht nur im menschlichen Körper, sondern beispielsweise in Flüssigkristallen, Halbleitern und sogar komplexen biologischen Molekülen wie der DNA. In einer Person können Sie die Knochen des Skeletts und in unbelebten Objekten sehen - zum Beispiel die Anordnung von Atomen. Jetzt wissen wir, dass Röntgenstrahlen elektromagnetische Wellen sind, die auf der Wellenlängenskala zwischen Ultraviolett- und Gammastrahlung angesiedelt sind.
Synchrotronstrahlung (von Infrarot- bis Gammastrahlung mit einem Maximum im Röntgenbereich) wurde Ende des 19. Jahrhunderts vorhergesagt und 1947 empfangen. Als Prädiktor für ihre Existenz gilt der französische Physiker Henri Liénard, der 1898 in der Zeitschrift „Electric Lighting“einen Artikel über „Elektrisches und magnetisches Feld, das durch eine elektrische Punktladung bei willkürlicher Bewegung entsteht“veröffentlichte.
Lienard zeigte, dass ein Elektron, das sich auf einer kreisförmigen Bahn bewegt, intensive elektromagnetische Wellen aussendet, und gab eine Formel dafür an, wie ein Teilchen, das sich auf einer kreisförmigen Bahn bewegt, während der Strahlung Energie verliert.
Theoretiker kamen zu Wort, und bis in die 40er Jahre des letzten Jahrhunderts, als die ersten Arbeiten an Beschleunigern begannen, erwähnten sie die Synchrotronstrahlung nicht. Und um 1940 begannen experimentelle Arbeiten an Betatrons. Der erste von ihnen für Energie 2, 320 MeV wurde 1940-1942 von der University of Illinois (USA) und der General Electric Company gebaut. Und im Jahr 4044 entwickelten die sowjetischen Wissenschaftler Isaak Pomeranchuk und Dmitry Ivanenko erstmals die Theorie der Synchrotronstrahlung, wie sie auf Ringteilchenbeschleuniger angewendet wurde. Die Gründerväter, wie sie von ihren heimischen Anhängern genannt werden, stellten fest, dass die Verluste durch Bremsstrahlung in einem Kreisbeschleuniger proportional zur vierten Potenz der Energie sind, auf die die Elektronen beschleunigt werden.
Und am amerikanischen Synchrotron (deshalb heißt es "Synchrotron") Strahlung entdeckte ein junger Ingenieur Floyd Haber. Am 27. April 1947 führte er Wartungsarbeiten durch und sah, nachdem er die Schutzschicht von der Glaskammer des Beschleunigers entfernt hatte, ein helles bläuliches Licht davon ausgehen. Daher wurde das Phänomen zunächst als "leuchtendes Elektron" bezeichnet. Im selben Jahr schlug der sowjetische Akademiker Vitaly Ginzburg (der im Oktober dieses Jahres den Nobelpreis für Physik erhielt) die Möglichkeit der praktischen Nutzung der Synchrotronstrahlung vor.
Gullivers Auge
Wenn ein optisches Mikroskop, mit dem Forscher früher feine Details von Objekten untersuchten, auf einen Labortisch und Röntgenröhren in kleine Räume passen, dann gleichen moderne Beschleuniger eher großen Fabriken. Synchrotronstrahlungsquellen können als "Supermikroskope" bezeichnet werden: Mit ihrer Hilfe lassen sich Details untersuchen, die nicht nur Mikroskopen, sondern auch vielen anderen Instrumenten nicht zugänglich sind. Um also in den Mikrokosmos einzudringen, muss man ziemlich „Gulliver“-Geräte verwenden.
Die Eigenschaften der Synchrotronstrahlung sind wirklich einzigartig. Es ist sehr eng fokussiert; es hat ein breites Spektrum (enthält Wellen sehr unterschiedlicher Wellenlängen und ist leicht zu ändern). Außerdem ist seine Intensität sehr hoch. Im für Forschung und technologische Anwendungen wichtigsten Röntgenbereich ist sie hunderttausendmal größer und übertrifft die Intensität von Röntgenröhren.
Aber damit die Strahlung genügend Energie erhält, um durch die Substanz zu scheinen, muss sich das Teilchen, das sie trägt, mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Gleichzeitig ist es sehr schwierig, es zu wickeln und im Kreis zu bewegen. In modernen Beschleunigern sind die stärksten Magnete verbaut, aber selbst sie schaffen es, mit kolossaler Geschwindigkeit fliegende Teilchen um einen kleinen Winkel abzulenken. Daher sehen alle Quellen aus wie ein mehrere hundert Meter großer Fahrradreifen. Beispielsweise beträgt die Länge eines solchen „Busses“an der European Synchrotron Radiation Facility (ESFR) 844 m bei einem Radius von etwa 130 m.
Der Ring des Synchrotrons ist normalerweise mit einem Fächer aus Rohren verputzt, an dessen Ende Installationen von Experimentatoren stehen, die Strahlung einfangen. Jedes der Rohre führt zum optischen Teil des Geräts, der die Wissenschaftler aus einem breiten Strahlungsspektrum auswählt. Der Prüfling befindet sich in der Versuchskabine. Es gibt auch Geräte, die durchgelassene oder reflektierte Strahlung registrieren, verschiedene komplexe H alterungen zum Drehen und Bewegen der Probe. Die Forscher sitzen in der Steuerkabine. Biologen nutzen beispielsweise die Eigenschaften von Strahlung, um Muskelkontraktionen zu erfassen und zu verstehen, während Chemiker die Flammenfront untersuchen.
Lilliput-Technik
Für den Bedarf der Elektronikindustrie wird derzeit in Zelenograd bei Moskau eine Synchrotronquelle aufgebaut. Mit seiner Hilfe werden Technologen "ausbrennen" - so etwas wie die Jungen die Holzstücke im Frühling schmücken und die Sonnenstrahlen mit Lupen konzentrieren. Es ist klar, dass nicht Inschriften wie „Osia und Kitty waren hier“durch Synchrotronstrahlung „ausgebrannt“werden, sondern Rohlinge von Computerchips.
Grundlage des Verfahrens ist die Photolithographie, das Aufleuchten der gewünschten Konturen auf der lichtempfindlichen Oberfläche eines Siliziumrohlings. Um Teile mit einer Größe von 0,25 Mikrometern zu erzeugen, ist ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 0,248 Mikrometern geeignet. Aber die Computerindustrie benötigt bereits Chips, deren "Verdrahtung" noch dünner sein sollte - nicht mehr als 0,1 Mikrometer. Und Synchrotronstrahlung mit einer Wellenlänge von 13 Nanometern (hartes Ultraviolett) ist dafür wie keine andere geeignet.
Mit seiner Hilfe kann man nicht nur die hauchdünne „Verdrahtung“von Mikrosch altkreisen eines Computerchips „ausbrennen“, sondern z einen Millimeter.
Wenn Sie es in eine Kapsel geben, mit einem Mikroschneider ausstatten und durch ein Blutgefäß führen lassen, entfernt es effektiv sklerotische Plaques, die sich in seinem Weg befinden.
Bisher wird diese "Lilliput" -Technik nur zu Forschungszwecken verwendet, aber der Übergang zur industriellen Produktion wird ein nicht weniger wichtiges Ereignis sein als die Erfindung des Transistors.
Synchrotronstrahlung hilft Ärzten auch bei der Operation von Hirntumoren. Besonders schwierige Fälle findet man in der Kleinkind-Neurochirurgie (weil die Patienten sehr klein sind). Bei solchen Operationen kann der Strahl so auf den Tumor fokussiert werden, dass er sanft ausgebrannt wird, ohne andere Gewebe zu beschädigen.
Der „magische Strahl“des Synchrotrons war auch nützlich, um die Entwicklung des kleinsten Malariaparasiten Plasmodium falciparum in einer menschlichen Blutzelle zu untersuchen. Um einen wirksamen Impfstoff zu entwickeln, ist es notwendig, die Muster seines Lebenszyklus zu verstehen.
Mitarbeiter des Lawrence Berkeley National Laboratory (USA) und Spezialisten des Center for X-ray Optics verfolgten, wie eine weibliche Mücke einen Parasiten in eine Blutzelle einschleppt: Ernährt sich von Hämoglobin, vermehrt er sich und infiziert andere Zellen. Die Forscher konnten sehen, wie Hämoglobin mit und ohne Medikamente aus dem Zytoplasma roter Blutkörperchen in die Nahrungsvakuole des Parasiten gelangt.
Atome von vorne und im Profil
Die Industrie aller Länder gibt Milliarden von Dollar aus, um Metallkorrosion oder einfach Rost zu bekämpfen. Und um sinnvoll und effektiv handeln zu können, muss man bis ins kleinste Detail verstehen, wie Metall rostet, wie Atome von Luftgasen an seiner Oberfläche anhaften.
Eine Gruppe von Chemikern der schwedischen Universität in Uppsala und IBM-Experten untersuchte das Verh alten von zweiatomigen Stickstoffmolekülen auf der Oberfläche von Nickel und fand heraus, dass die Moleküle „stehend“an der Oberfläche haften: nur ein Atom interagiert damit, und der zweite ist darüber.
Früher glaubte man, dass die Wechselwirkung mit der Oberfläche viel schwächer ist als zwischen den Stickstoffatomen im Molekül. Wissenschaftler glaubten, dass sich die symmetrische Struktur des Moleküls nicht wesentlich ändert, wenn sie sich ändert. Die Experimentatoren fanden heraus, dass sich nahe der Oberfläche die elektronische Struktur des Atoms stark verändert und die Bindung zwischen den Atomen im Molekül schwächer wird. Und es kann die richtige Lösung bieten, um die Oberfläche von Metallen vor Rost zu schützen.
Es ist ebenso wichtig zu verstehen, wie sich Atome in Proteinmolekülen verh alten. Mithilfe von Synchrotronstrahlung beobachteten Forscher der University of Chicago, wie das Myoglobinmolekül (ein Protein, das in Muskeln vorkommt und für die Ansammlung und den Transport von Sauerstoff verantwortlich ist) neu angeordnet wird, wie Sauerstoffmoleküle eingefangen und aus den „höhlenartigen“Strukturen freigesetzt werden im Molekül.
Um die Beobachtung zu erleichtern, haben Wissenschaftler Sauerstoff durch Kohlenmonoxid (CO) ersetzt: Sein Molekül lässt sich unter dem Einfluss von Röntgenstrahlen leichter von Myoglobin trennen. Unter dem Einfluss des ersten Laserpulses löste sich das CO-Molekül aus dem Myoglobin-Molekül, und nach einer Weile „schoss“der Röntgenstrahl der Synchrotronstrahlung auf das Molekül. Das Experiment wurde viele Male wiederholt, wobei das Intervall zwischen dem Laserimpuls und dem „Schuss“der Strahlen verlängert wurde, und für das „Schießen“war eine ausgeklügelte Elektronik erforderlich, die in der Lage war, das Eintreffen von Laserimpulsen von weniger als a zu verfolgen Nanosekundenlänge.
Die Ergebnisse sahen aus wie ein Zeichentrickfilm: Jedes Bild wurde aus einem kurzen Strahlungsausbruch gewonnen, der jede Millisekunde auftrat. Wissenschaftler bekamen also einen "Film" über das Verh alten des Myoglobin-Moleküls. Es erfasste, dass wenige Nanosekunden nach Beginn der Freisetzung das ursprünglich an das Eisenatom des Myoglobinmoleküls gebundene CO-Molekül bereits vier Angstrom von diesem entfernt war. Gleichzeitig gelang es auch dem CO-Molekül, sich gegenüber seiner Ausgangsposition um 90° zu drehen. Es stellte sich heraus, dass das CO-Molekül in dieser Position sozusagen einfriert und Hunderte von Nanosekunden warten kann, bis es von irgendwelchen chemischen Reaktionen, die in den Muskeln stattfinden, „eingefangen“wird. Damit war es erstmals möglich, die Entwicklung eines molekularbiologischen Prozesses zu beobachten.
