Nowe źródła promieniowania gamma wykorzystujące promieniowanie undulatora krystalicznego
Nowoczesne lasery rentgenowskie na swobodnych elektronach (XFEL) — potężne narzędzia, które generują spójne i ultrakrótkie impulsy promieniowania rentgenowskiego o długości fali około jednego angstrema — które cechuje wysoka świetlność. Umożliwia to, między innymi, nieniszczące obrazowanie biocząsteczek. Jednak zmniejszenie osiągalnej długości fali do zakresu promieniowania gamma przy jednoczesnym utrzymaniu lub zwiększeniu intensywności stanowi wyzwanie. Korzystający ze wsparcia programu działania „Maria Skłodowska-Curie” (MSCA) projekt N-LIGHT(odnośnik otworzy się w nowym oknie) dążył do przezwyciężenia kompromisu między długością fali a intensywnością za pomocą dostrajalnych krystalicznych źródeł promieniowania gamma (CLS) o długości fali poniżej angstremów i ultrawysokiej świetlności. Może to mieć liczne ekscytujące potencjalne zastosowania w dziedzinach takich jak badania podstawowe, przemysł, biologia i medycyna.
Kanałowanie przez kryształy
Zaawansowane źródła światła, takie jak XFEL, wykorzystują duże undulatory magnetyczne do tworzenia spójnego światła. Projekt N-LIGHT wdrożył radykalne podejście: wykorzystanie krystalicznych elektromagnetycznych pól elektrostatycznych, które są o rzędy wielkości silniejsze niż pola osiągalne za pomocą magnesów nadprzewodzących. Zbiorowe pole elektrostatyczne atomów kryształu jest wykorzystywane do kontrolowania ruchu naładowanych cząstek — zazwyczaj elektronów lub pozytonów — w krysztale wzdłuż płaszczyzn krystalograficznych, zjawiska znanego jako „kanałowanie”. Prowadzi to do poprzecznej oscylacji cząstek i emisji promieniowania kanałowania. Według Andreya V. Solov'yova z Centrum Badawczego MBN(odnośnik otworzy się w nowym oknie), koordynatora N-LIGHT: „W krysztale z okresowymi zgięciami dodatkowa emisja «promieniowania krystalicznego promieniowania» wynika z ruchu cząstki w górę i w dół wzdłuż wygiętych płaszczyzn”. Te potężne krystaliczne pola elektrostatyczne sterują cząstkami ultrarelatywistycznymi, czyli poruszającymi się z prędkościami bliskimi prędkości światła. Robią to skuteczniej niż najbardziej zaawansowane magnesy, co umożliwia źródła światła radykalnie zminiaturyzowane i tańsze w porównaniu z konwencjonalnymi.
Pionierskie osiągnięcia teoretyczne, obliczeniowe i eksperymentalne
Opierając się na teoretycznych opracowaniach wiążących profil zginania płaszczyzn krystalicznych ze zmianami stężenia atomów domieszkowych, symulacje numeryczne wykazały, że wydajność kanałowania i intensywność krystalicznego promieniowania undulatora silnie zależą od orientacji wiązki względem zgiętego profilu kanału przy wejściu do kryształu. Symulacje wykazały również, że intensywność promieniowania CLS może przewyższać obecne najnowocześniejsze źródła promieniowania gamma. Nowoczesne narzędzia obliczeniowe umożliwiły symulację propagacji pojedynczych cząstek przez kryształ i przewidywanie właściwości promieniowania. Kompleksowe mapowanie parametrów operacyjnych dla krystalicznych undulatorów napędzanych akustycznie ustaliło praktyczne zakresy istotne zarówno dla akceleratora MAMI(odnośnik otworzy się w nowym oknie), jak i akceleratorów w Europejskiej Radzie Badań Jądrowych (CERN)(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Symulacje dynamiki molekularnej po raz pierwszy scharakteryzowały zmiany strukturalne wywołane domieszkowaniem boru w diamencie i germanu w krzemie” — zauważa Andrei Korol, stypendysta MSCA. Te spostrzeżenia zostały przełożone na konkretne eksperymentalne kamienie milowe. Wyprodukowano dwa krystaliczne undulatory — jeden poprzez gradientowe domieszkowanie diamentu borem, drugi poprzez nakładanie warstwy rozciągliwej na krzemie — i przetestowano je odpowiednio w MAMI i CERN. Według Solov’yova i Korola: „Kampania eksperymentalna zaowocowała dwoma przełomowymi odkryciami w pojedynczym eksperymencie: pierwszą bezpośrednią obserwacją promieniowania krystalicznego undulatora z kryształu diamentu domieszkowanego borem wystawionego na działanie wiązki elektronów oraz pierwszą obserwacją kanałowania pozytonów (oba w MAMI)”.
Świetlana przyszłość źródeł światła opartych na kryształach promieniowania gamma
Budowa CLS wymaga długiego i trudnego procesu: przygotowania próbki kryształu, projektowania i manipulowania wiązkami cząstek oraz wykrywania i charakteryzowania promieniowania, a wszystko to wspomagane analizą teoretyczną i zaawansowanym modelowaniem obliczeniowym. Projekt N-LIGHT przeszedł tę ścieżkę w całości. Dojście do industrializacji zajmie trochę czasu. Jeśli jednak czerpać inspirację z historycznych podobieństw z synchrotronami, laserami optycznymi, laserowymi źródłami światła Comptona i XFEL, te radykalne źródła promieniowania gamma mają potencjał do uruchomienia wielomiliardowych gałęzi przemysłu o daleko idącym wpływie na dobrobyt społeczeństwa.