Hogyan működnek a szinkrotronok – a világ legfényesebb fényforrásai

Mi az a szinkrotron?

A szinkrotron fényforrás egy hatalmas, gyűrű alakú berendezés, amely az elektronokat közel fénysebességre gyorsítja, és begyűjti az általuk kibocsátott intenzív sugárzást, amikor irányváltoztatásra kényszerítik őket. Az eredmény egy rendkívül fényes röntgensugár – milliárdszor fényesebb, mint a Nap –, amelyet a tudósok mindenfélére irányítanak az ősi kövületektől a kísérleti gyógyszerekig.

Világszerte több mint 50 szinkrotron létesítmény működik vagy épül, a franciaországi Grenoble-ban található European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) intézettől az angliai Oxfordshire-ben található Diamond Light Source-ig és a Melbourne melletti Australian Synchrotron-ig. Évente több tízezer kutatót szolgálnak ki.

Hogyan működik a berendezés?

A folyamat egy elektronágyúval kezdődik, amely elektronok sugarát lövi egy lineáris gyorsítóba. Itt a részecskéket közel fénysebességre gyorsítják – jellemzően a c 99,9997 százalékára. Egy kisebb gyorsító gyűrű tovább növeli az energiájukat, gyakran körülbelül 100 MeV-ről 3000 MeV-re kevesebb mint egy másodperc alatt.

Az elektronok ezután a tárológyűrűbe kerülnek, egy sokszög alakú vákuumcsőbe, amelynek kerülete több száz méter lehet. Erőteljes hajlító mágnesek irányítják az elektronokat a gyűrű ívei körül. Minden alkalommal, amikor a részecskék irányt változtatnak, energiát adnak le elektromágneses sugárzás formájában – ez a szinkrotron fény.

A sugár intenzitásának növelése érdekében sok létesítmény undulátorokat vagy wigglereket helyez a gyűrű egyenes szakaszaiba. Ezek a váltakozó mágnesekből álló tömbök arra kényszerítik az elektronokat, hogy gyorsan oszcilláljanak, még fényesebb, fókuszáltabb röntgensugarakat hozva létre. A fényt több tucat nyalábvonalon vezetik le – ezek a gyűrűből kifelé sugárzó egyedi kísérleti állomások, mint egy kerék küllői.

Miért különleges a szinkrotron fény?

A hagyományos röntgengépek széles, viszonylag halvány sugarat állítanak elő. Ezzel szemben egy szinkrotron a következő tulajdonságokkal rendelkező fényt szolgáltatja:

• Rendkívül fényes – akár 10 milliárdszor intenzívebb, mint a hagyományos források
• Nagyon fókuszált – a sugarak egy mikrométernél kisebbre szűkíthetők
• Hangolható – a tudósok pontos hullámhosszakat választhatnak ki, az infravöröstől az ultraibolyán át a kemény röntgensugarakig
• Pulzáló – a sugár ultrarövid impulzusokban érkezik, lehetővé téve az időfelbontású kísérleteket, amelyek valós időben rögzítik a kémiai reakciókat

Ezek a tulajdonságok lehetővé teszik a kutatók számára, hogy olyan struktúrákat és folyamatokat lássanak, amelyek más műszerekkel láthatatlanok.

Amit a szinkrotronok feltártak

Orvostudomány és gyógyszertervezés

A szinkrotron röntgenkrisztallográfia elengedhetetlen volt a SARS-CoV-2 vírus tüskefehérjéjének szerkezetének feltérképezéséhez, felgyorsítva a COVID-19 vakcina és vírusellenes szerek fejlesztését. A technika rutinszerűen segíti a gyógyszergyárakat abban, hogy atomi szinten vizualizálják, hogyan kapcsolódnak a gyógyszermolekulák a betegség célpontjaihoz.

Paleontológia

A szinkrotron létesítményekben végzett fáziskontraszt mikrotomográfia lágy szöveteket tárt fel 300 millió éves kövületekben, embriócsontokat 125 millió éves gyíkmagokban, és láthatatlan tintát olvasott ősi pergameneken. Egy nemrégiben készült tanulmány szinkrotron képalkotást használt a világ "legidősebb polip" kövületének újradefiniálására egy nautilus rokonaként, megoldva egy évtizedek óta tartó evolúciós rejtvényt.

Anyagtudomány

A mérnökök szinkrotron sugarakat használnak a feszültségtörések terjedésének megfigyelésére a sugárhajtómű turbinalapátjaiban, az akkumulátor elektródáinak tanulmányozására töltés és kisütés közben, valamint a következő generációs napelemek kémiai összetételének feltérképezésére – mindezt a minta elpusztítása nélkül.

A következő generáció

A negyedik generációs szinkrotronok, mint például a grenoble-i továbbfejlesztett ESRF-EBS és a brazil Sirius létesítmény, egy többszörös hajlítású akromatikus rácsszerkezetet használnak, amely még vékonyabb szalaggá préseli az elektronnyalábot. Az eredmény akár 100-szor fényesebb fény, mint a korábbi gépeknél, megnyitva az ajtót az egyes molekulák képalkotása és a kémiai reakciók femtoszekundumos időskálán történő nyomon követése előtt.

Amíg a tudósoknak látniuk kell a láthatatlant – akár egy élő sejtben, egy meteoritban vagy egy ősi kéziratban –, a szinkrotronok továbbra is a kutatási arzenál egyik leghatékonyabb eszközei maradnak.