Nguồn Photon nâng cao là gì? Làm thế nào các chùm tia X siêu sáng được tạo ra

Nó lúc 4 giờ sáng, và tôi đã thức dậy được khoảng 20 giờ. Một tiếng chuông báo động lớn đang phát ra, kèm theo đèn nhấp nháy màu đỏ nhấp nháy. Một giọng nói nghiêm khắc thông báo, trạm Tìm kiếm của B. B. Thoát ngay lập tức. Cảm giác giống như một trường hợp khẩn cấp, nhưng nó thì không. Trong thực tế, báo động đã tắt 60 hoặc 70 lần ngày hôm nay. Đó là một cảnh báo, cho tất cả mọi người trong vùng lân cận biết rằng tôi sẽ bắn một chùm tia X công suất cao vào một căn phòng nhỏ chứa đầy thiết bị điện tử và các luồng khí nitơ lỏng.

Ở trung tâm của căn phòng này, được gọi là trạm B, tôi đã đặt một viên pha lê không dày hơn một sợi tóc người trên đầu sợi thủy tinh nhỏ. Tôi đã chuẩn bị hàng tá những viên pha lê này và đang cố gắng phân tích tất cả chúng.

Những tinh thể này được làm bằng vật liệu bán dẫn hữu cơ, được sử dụng để chế tạo chip máy tính, đèn LED, màn hình điện thoại thông minh và các tấm pin mặt trời. Tôi muốn tìm hiểu chính xác vị trí của từng nguyên tử bên trong các tinh thể, chúng được đóng gói dày đặc như thế nào và chúng tương tác với nhau như thế nào. Thông tin này sẽ giúp tôi dự đoán mức độ dòng điện sẽ chạy qua chúng.

Để xem các nguyên tử này và xác định cấu trúc của chúng, tôi cần sự trợ giúp của synchrotron, một công cụ khoa học khổng lồ chứa một vòng electron dài hàng km phóng to xung quanh với tốc độ ánh sáng. Tôi cũng cần một kính hiển vi, một con quay hồi chuyển, nitơ lỏng, một chút may mắn, một đồng nghiệp tài năng và một chiếc xe ba bánh.

Lấy tinh thể tại chỗ

Bước đầu tiên của thí nghiệm này bao gồm việc đặt các tinh thể siêu nhỏ trên đầu sợi thủy tinh. Tôi sử dụng một cây kim để cạo một đống chúng lại với nhau trên một phiến kính và đặt chúng dưới kính hiển vi. Các tinh thể rất đẹp - nhiều màu sắc và mặt như những viên đá quý nhỏ. Tôi thường thấy mình bị lúng túng, nhìn chằm chằm vào đôi mắt thiếu ngủ vào kính hiển vi và tập trung lại ánh mắt trước khi dỗ dành một cách khó nhọc vào đầu sợi thủy tinh.

Khi tôi đã nhận được tinh thể gắn vào sợi quang, tôi bắt đầu nhiệm vụ thường xuyên là bực bội khi đặt trung tâm tinh thể trên đầu của con quay hồi chuyển bên trong trạm B. Thiết bị này sẽ quay tinh thể xung quanh, từ từ và liên tục, cho phép tôi lấy X- hình ảnh tia của nó từ mọi phía.

Khi nó quay tròn, hơi nitơ lỏng được sử dụng để làm mát nó: Ngay cả ở nhiệt độ phòng, các nguyên tử dao động qua lại, khiến chúng ta khó có được hình ảnh rõ ràng về chúng. Làm lạnh tinh thể đến âm 196 độ C, nhiệt độ của nitơ lỏng, làm cho các nguyên tử ngừng chuyển động rất nhiều.

Chụp ảnh X-quang

Khi tôi có tinh thể ở giữa và được làm mát, tôi tắt trạm B và từ một trung tâm điều khiển máy tính bên ngoài nó, làm nổ mẫu bằng tia X. Hình ảnh thu được, được gọi là mẫu nhiễu xạ, được hiển thị dưới dạng các điểm sáng trên nền màu cam.

Những gì tôi đang làm không khác lắm so với chụp ảnh bằng máy ảnh và đèn flash. Tôi chuẩn bị gửi các tia sáng vào một vật thể và ghi lại cách ánh sáng bật ra khỏi nó. Nhưng tôi có thể sử dụng ánh sáng khả kiến ​​để chụp ảnh các nguyên tử - chúng quá nhỏ và bước sóng ánh sáng trong phần nhìn thấy của quang phổ quá lớn. Tia X có bước sóng ngắn hơn, vì vậy chúng sẽ nhiễu xạ hoặc bật ra khỏi các nguyên tử.

Tuy nhiên, không giống như với máy ảnh, tia X nhiễu xạ có thể được lấy nét bằng một ống kính đơn giản. Thay vì một hình ảnh giống như hình ảnh, dữ liệu tôi thu thập là một mô hình không tập trung về nơi tia X đi sau khi chúng bật ra khỏi các nguyên tử trong tinh thể của tôi. Một bộ dữ liệu đầy đủ về một tinh thể được tạo thành từ những hình ảnh này được chụp từ mọi góc xung quanh tinh thể khi con quay hồi chuyển quay nó.

Toán cao cấp

Đồng nghiệp của tôi, Nicholas DeWeerd, ngồi gần đó, phân tích các bộ dữ liệu tôi đã thu thập được.Anh ta đã cố gắng phớt lờ các báo thức chói lóa và đèn nhấp nháy trong nhiều giờ, nhìn chằm chằm vào các hình ảnh nhiễu xạ trên màn hình của mình, để biến các hình ảnh tia X từ mọi phía của tinh thể thành hình ảnh của các nguyên tử bên trong chính tinh thể.

Trong những năm trước, quá trình này có thể mất nhiều năm tính toán cẩn thận bằng tay, nhưng bây giờ anh ta sử dụng mô hình máy tính để đặt tất cả các mảnh lại với nhau. Anh ấy là nhóm nghiên cứu của chúng tôi, chuyên gia không chính thức trong phần giải đố này, và anh ấy rất thích nó. Tôi thích anh ấy như Giáng sinh! Tôi nghe thấy anh ta lẩm bẩm, khi anh ta lướt qua những hình ảnh lấp lánh của các mẫu nhiễu xạ.

Tôi mỉm cười với sự nhiệt tình mà anh ấy cố gắng duy trì đến tận đêm khuya, khi tôi bật synchotron để lấy hình ảnh của viên pha lê nằm ở trạm B. Tôi nín thở khi những hình ảnh nhiễu xạ từ vài góc đầu tiên hiện lên trên màn hình. Không phải tất cả các tinh thể nhiễu xạ, ngay cả khi tôi đã thiết lập mọi thứ hoàn hảo. Thường thì đó là vì mỗi tinh thể được tạo thành từ rất nhiều tinh thể nhỏ hơn dính lại với nhau hoặc các tinh thể chứa quá nhiều tạp chất để tạo thành một mẫu tinh thể lặp đi lặp lại mà chúng ta có thể giải quyết bằng toán học.

Nếu cái này không cung cấp hình ảnh rõ ràng, tôi sẽ phải bắt đầu lại và thiết lập một cái khác. May mắn thay, trong trường hợp này, một vài hình ảnh đầu tiên bật lên cho thấy các điểm nhiễu xạ sáng, rõ ràng. Tôi mỉm cười và ngồi lại để thu thập phần còn lại của bộ dữ liệu. Bây giờ khi con quay hồi chuyển xoáy và chùm tia X làm nổ mẫu, tôi có vài phút để thư giãn.

Tôi sẽ uống một ít cà phê để tỉnh táo, nhưng tay tôi đã run lên vì quá tải caffeine. Thay vào đó, tôi gọi cho Nick: Cạn tôi sẽ đi một vòng. Tôi đi bộ đến một nhóm xe ba bánh ngồi gần đó. Thường được sử dụng chỉ để đi xung quanh tòa nhà lớn chứa synchrotron, tôi thấy chúng hữu ích không kém cho một nỗ lực tuyệt vọng để thức dậy với một số bài tập.

Khi tôi đi xe, tôi nghĩ về viên pha lê gắn trên con quay hồi chuyển. Tôi đã dành nhiều tháng để tổng hợp nó, và chẳng mấy chốc tôi sẽ có một bức tranh về nó. Với hình ảnh, tôi sẽ hiểu được liệu các sửa đổi mà tôi đã thực hiện đối với nó, điều này làm cho nó hơi khác so với các tài liệu khác tôi đã thực hiện trong quá khứ, có cải thiện được không. Nếu tôi thấy bằng chứng về việc đóng gói tốt hơn hoặc tăng tương tác giữa các phân tử, điều đó có thể có nghĩa là phân tử này là một ứng cử viên tốt để thử nghiệm trong các thiết bị điện tử.

Kiệt sức, nhưng hạnh phúc vì tôi thu thập dữ liệu hữu ích, tôi từ từ đạp vòng vòng, lưu ý rằng synchrotron đang có nhu cầu cao. Khi Beamline hoạt động, nó được sử dụng 24/7, đó là lý do tại sao tôi làm việc suốt đêm. Tôi đã may mắn để có được một khe thời gian ở tất cả. Ở các trạm khác, các nhà nghiên cứu khác như tôi đang làm việc đến tận đêm khuya.

Bài viết này ban đầu được xuất bản trên The Convers by Kerry Rippy. Đọc văn bản gôc ở đây.