211service.com
En synkrotron i miniatyr
Synkrotroner är enorma anläggningar som kan producera intensiva, högkvalitativa röntgenstrålar för vetenskapliga ändamål. De sträcker sig vanligtvis över en fotbollsplan och kostar hundratals miljoner dollar att bygga och driva. Men nu har forskare vid Lyncean Technologies , en startup i Palo Alto, CA, har krympt synkrotronen till storleken av ett rum. Denna miniatyrsynkrotron erbjuder forskare ett nytt sätt att utföra högkvalitativa röntgenexperiment i sina egna labb.
Röntgen hemma: Ett schema över miniatyrsynkrotronen (överst) visar elektronstråleinjektorn (grönt rör) och lagringsringen. Elektronstrålen cirkulerar runt ringen och kolliderar med en laserpuls vid varje varv och sänder ut skurar av röntgenstrålar. Nederst: En detaljerad vy visar komponenterna i miniatyrsynkrotronen, som passar in i ett rum.
Lyncean har byggt en prototyp synkrotron och bygger en annan som ska installeras i år på Scripps forskningsinstitut i La Jolla, CA. Den nya synkrotronen kommer att användas av Accelerated Technologies Center för gen till 3D-struktur , som är en del av National Institutes of Healths Protein Structure Initiative.
Bordsinstrumentet är inte lika kraftfullt som de stora synkrotronerna, säger Ronald Ruth, Lynceans president och chefsforskare. Men å andra sidan är det mycket billigare och det är väldigt kompakt. Han liknar de nationella synkrotronerna vid superdatorer, där många användare måste tävla under begränsad tid på en av strålarna. [Synkrotronerna] adresserar den senaste tekniken, säger Ruth. De trycker på kuvertet. Men deras inverkan är bara så bred som antalet människor som är villiga att resa för att åka dit. Miniatyrsynkrotronen är mer som en PC, säger han, delad av ett fåtal användare och lättillgänglig.
Röntgenstrålar är användbara för att undersöka egenskaper hos material, eftersom deras våglängd är ungefär lika stor som atomer och de kemiska bindningarna mellan dem. Till exempel är röntgenkristallografi en viktig metod för att bestämma proteinstruktur. Röntgenstrålar diffrakterar när de passerar genom en proteinkristall och genererar ett karakteristiskt interferensmönster. Genom att analysera mönstret kan forskare härleda atomernas arrangemang och därmed bestämma proteinets struktur.
För dessa typer av studier har synkrotronstrålning fördelar jämfört med vanliga röntgenkällor: den är hundra miljoner gånger ljusare och mycket koncentrerad, vilket möjliggör mycket exakta experiment med hög upplösning. Synkrotroner producerar också en kontinuerlig källa av röntgenstrålar, istället för de korta skurarna som genereras från vanliga röntgenrör. Och en synkrotrons ljus är inställbart, så forskare kan matcha energin med materialet som sonderas.
Kvaliteten på ljuset från miniatyrsynkrotronen är lika bra som de stora maskinerna, säger Franz Pfeiffer, fysiker vid Paul Scherrer Institute och École Polytechnique Federale i Lausanne, Schweiz. Det är det som gör det så attraktivt, säger han. [Den] kombinerar fördelen med att ha något relativt litet med fördelarna med den extremt briljanta strålen som är tillgänglig genom synkrotroner. Det är en väldigt trevlig sak att ha.
Ruth bestämde först att en miniatyrsynkrotron kunde vara möjlig i slutet av 1990-talet, när han var professor vid Stanford Linear Accelerator Center. Ruth och en doktorand, Zhirong Huang, letade efter ett sätt att kyla elektronstrålar genom att få dem att stråla. De fann att att träffa strålarna med en laser inte bara kylde dem effektivt, utan också genererade röntgenstrålar.
Denna effekt visade sig vara nyckeln till att krympa synkrotronen till storlek. Stora synkrotroner använder magnetiska undulatorer som vickar elektronstrålen från sida till sida när den cirkulerar runt en stor lagringsring. Ruth förklarar att den vickningen, i storleksordningen en centimeter, genererar röntgenstrålar som kastas av på en tangent till cirkeln, ungefär som en snurrande strålkastare lyser.
Miniatyrsynkrotronen använder endast en rörlig laserpuls som interagerar med elektronstrålen varje gång den går runt lagringsringen, som passar på en bordsskiva. Vickningen är en tiotusendel så liten – bara en mikrometer – och röntgenstrålarna avges i en enda stråle.