Jak działają synchrotrony – najjaśniejsze światło na świecie

Czym jest synchrotron?

Synchrotronowe źródło światła to potężna, pierścieniowa maszyna, która przyspiesza elektrony do prędkości zbliżonej do prędkości światła i pozyskuje intensywne promieniowanie emitowane przez nie, gdy są zmuszone do zmiany kierunku. Rezultatem jest niezwykle jasna wiązka promieniowania rentgenowskiego – miliardy razy jaśniejsza niż słońce – którą naukowcy kierują na wszystko, od starożytnych skamielin po eksperymentalne leki.

Na całym świecie działa lub jest w budowie ponad 50 synchrotrów, od Europejskiego Synchrotronu Promieniowania (ESRF) w Grenoble we Francji, po Diamond Light Source w Oxfordshire w Anglii i Australian Synchrotron w pobliżu Melbourne. Służą one dziesiątkom tysięcy naukowców każdego roku.

Jak działa maszyna

Proces rozpoczyna się od działa elektronowego, które wystrzeliwuje strumień elektronów do akceleratora liniowego. Tutaj cząstki są przyspieszane do prędkości bliskiej prędkości światła – zazwyczaj 99,9997 procent c. Mniejszy pierścień doładowujący dodatkowo zwiększa ich energię, często z około 100 MeV do 3000 MeV w czasie krótszym niż sekunda.

Następnie elektrony wchodzą do pierścienia akumulacyjnego, wielokątnej rury próżniowej, która może rozciągać się na setki metrów obwodu. Potężne magnesy zakrzywiające kierują elektrony wokół zakrętów pierścienia. Za każdym razem, gdy cząstki zmieniają kierunek, tracą energię w postaci promieniowania elektromagnetycznego – światła synchrotronowego.

Aby zintensyfikować wiązkę, wiele obiektów umieszcza urządzenia zwane undulatorami lub wigglerami w prostych odcinkach pierścienia. Te układy naprzemiennych magnesów zmuszają elektrony do szybkiego oscylowania, wytwarzając jeszcze jaśniejsze, bardziej skupione promieniowanie rentgenowskie. Światło jest kierowane w dół dziesiątek linii badawczych – indywidualnych stanowisk eksperymentalnych promieniujących na zewnątrz od pierścienia jak szprychy od koła.

Dlaczego światło synchrotronowe jest wyjątkowe

Zwykłe aparaty rentgenowskie wytwarzają szeroką, stosunkowo słabą wiązkę. Synchrotron natomiast dostarcza światło, które jest:

• Niezwykle jasne – do 10 miliardów razy bardziej intensywne niż konwencjonalne źródła
• Wysoce skupione – wiązki można zawęzić do mniej niż mikrometra średnicy
• Dostrajane – naukowcy mogą wybierać precyzyjne długości fal, od podczerwieni przez ultrafiolet po twarde promieniowanie rentgenowskie
• Impulsowe – wiązka dociera w ultr krótkich impulsach, umożliwiając eksperymenty z rozdzielczością czasową, które rejestrują reakcje chemiczne w czasie rzeczywistym

Te właściwości pozwalają naukowcom zobaczyć struktury i procesy, które są niewidoczne dla jakiegokolwiek innego instrumentu.

Co ujawniły synchrotrony

Medycyna i projektowanie leków

Synchrotronowa krystalografia rentgenowska była niezbędna do mapowania struktury białka kolca wirusa SARS-CoV-2, przyspieszając rozwój szczepionek i leków przeciwwirusowych na COVID-19. Technika ta rutynowo pomaga firmom farmaceutycznym wizualizować, jak cząsteczki leków łączą się z celami chorobowymi na poziomie atomowym.

Paleontologia

Mikrotomografia z kontrastem fazowym w synchrotronach ujawniła tkanki miękkie wewnątrz 300-milionowych skamielin, odkryła kości embrionów wewnątrz 125-milionowych jaj jaszczurek i odczytała niewidzialny atrament na starożytnych pergaminach. Ostatnie badanie wykorzystało obrazowanie synchrotronowe do przeklasyfikowania „najstarszej ośmiornicy” na świecie jako krewnego łodzików, rozwiązując trwającą dziesięciolecia zagadkę ewolucyjną.

Materiałyznawstwo

Inżynierowie wykorzystują wiązki synchrotronowe do obserwacji pęknięć zmęczeniowych rozprzestrzeniających się przez łopatki turbin silników odrzutowych, badania elektrod akumulatorów podczas ładowania i rozładowywania oraz mapowania składu chemicznego ogniw słonecznych następnej generacji – a wszystko to bez niszczenia próbki.

Następna generacja

Synchrotrony czwartej generacji, takie jak zmodernizowany ESRF-EBS w Grenoble i brazylijski obiekt Sirius, wykorzystują konstrukcję siatki wielozakrętowego achromatu, która ściska wiązkę elektronów w jeszcze cieńszą wstęgę. Rezultatem jest światło do 100 razy jaśniejsze niż w poprzednich maszynach, otwierając drogę do obrazowania pojedynczych cząsteczek i śledzenia reakcji chemicznych w skali femtosekund.

Tak długo, jak naukowcy będą musieli widzieć to, co niewidoczne – czy to wewnątrz żywej komórki, meteorytu, czy starożytnego manuskryptu – synchrotrony pozostaną jednym z najpotężniejszych narzędzi w arsenale badawczym.