English
Jedním z cílů výzkumných programů projektu ELI Beamlines je vybudovat experimentální uživatelské stanice, jež umožňují přelomový výzkum v oblasti molekulárních, biomedicínských a materiálových věd využívajících primární fotonový zdroj (ELI laserové systémy) v kombinaci se sekundárními zdroji ionizujícího záření. Očekávání spojená zejména s využitím těchto zdrojů, jež budou mít vědci v Dolních Břežanech k dispozici, přednesly v Praze na dubnovém workshopu organizovaném v rámci konference SPIE Optics + Optoelectronics 2013 vedoucí vědecké osobnosti ve svých oborech a zároveň potenciální uživatelé ELI Beamlines.
Zdroj: K. J. Gaffney, H. N. Chapman, Science
Příklad využití pulzů koherentního rentgenového záření při difraktivním zobrazování jednotlivých molekul
Prof. Mehran Mostafavi z Université Paris-Sud shrnul současný stav výzkumu na pulzně radiolytickém zařízení ELYSE v Paříži, které umožňuje studium raných radiačně chemických procesů s časovým rozlišením několika pikosekund. Soustředil se především na výzkum radiolýzy vodných roztoků, který nedávno prokázal vliv velmi krátce žijících stavů (s dobou života pod jednu pikosekundu, například ion-radikál H2O+ s dobou života o řádu 20 femtosekund) na primární a sekundární výtěžky radiolytických meziproduktů a produktů. V současnosti nejpokročilejší skupina na univerzitě v japonské Ósace byla na svém zařízení s lineárním urychlovačem elektronů a časovou detekcí založené na emisi Čerenkovova záření (po mnoha letech vývoje a soustředěného výzkumu) schopna dosáhnout časového rozlišení ~700 femtosekund. Představuje je to patrně nejzazší mez časového rozlišení dosažitelného s konvenčními urychlovači. Nové femtosekundové zdroje ionizujícího záření na ELI Beamlines tak podle prof. Mostafaviho představují – vzhledem k možnosti přesného sčasování impulzu záření se sondujícím světelným impulzem – perspektivní nástroj pro provádění ultrarychlých pulzně radiolytických experimentů se schopností prolomit tzv. pikosekundovou bariéru.
Současným vývojem pokročilých metod rentgenového 2D a 3D zobrazování živých i neživých objektů na Beamline TOMCAT (TOmographic Microscopy and Coherent rAdiology experimenTs) na švýcarském synchrotronu Swiss Light Source provedl dr. Rajmund Mokso ze švýcarského institutu Paula Scherrera. Rentgenové záření o energii 10–25 keV se za pomoci sofistikované rentgenové optiky používá k zobrazování komplexní mikrostruktury jak systémů nebiologických (dynamika pěn, vysokoteplotní hojení kompozitních materiálů), tak biologických (například 3D filmy vnitřního pohybu svalů mouchy za letu). Současné synchrotronové zdroje a rentgenová optika umožňují realizaci několik různých přístupů k zobrazování objektů s mikrometrovým prostorovým rozlišením s jedním záznamem sejmutým během zlomku sekundy. V diskusi dr. Mokso soudil, že femtosekundové rozlišení by patrně nepřineslo žádný dodatečný benefit pro rychlé tomografické zobrazování, neboť charakteristická časová škála zajímavých procesů se nachází na úrovni milisekund. Vysoká opakovací frekvence laseru L1 a s ním spojeného plazmového zdroje rentgenového záření by však mohla nabídnout řadu možností na tomto poli.
Různé faktory, které je třeba vzít v úvahu při volbě vlnové délky nejvhodnější k zobrazování periodických i neperiodických objektů pomocí difraktovaného koherentního rentgenového záření (Coherent X-ray Diffraction Imaging – CDI), představil dr. Nicusor Timneanu z univerzity ve švédské Uppsale. Metoda v nedávné době nabyla na významu vzhledem k pokračujícímu či již ukončenému vývoji velkých zařízení umožňujících provoz rentgenových laserů na volných elektronech (Free Electron Laser – FEL). Výběr vlnové délky pro nejlepší zobrazení vzorků a dosažení maximálního rozlišení řídí několik protichůdných požadavků: pro zvýšení kontrastu a intenzity rozptylu se preferují delší vlnové délky (kolem 1 nm) a z hlediska omezení použitelnosti Bornovy aproximace a difrakčního limitu zase kratší vlnové délky (kolem 0,1 nm, což odpovídá energii fotonů 12,4 keV). Kromě toho musí mít intenzivní rentgenové pulzy délku v řádu desítek femtosekund, jinak svým působením poškozují zobrazovaný objekt již při snímání strukturní informace.
Zdroj: Archiv autora
Počítačová simulace fázových přeměn provázejících šíření rázové vlny o špičkovém tlaku 290 Mbar v polykrystalickém železe
Výhody a nevýhody používání bezokénkové metody kapalinové trysky (vytvářené standardními čerpadly vyvinutými pro vysokotlakou kapalinovou chromatografii, HPLC) ve srovnání s kapalinovými celami (kyvetami) s ultratenkým (~200 nm) membránovým okénkem z křemíku či nitridu křemíku (Si3N4) pro dodávku chemických či biologických vzorků pro výzkum absorpce, emise a odrazu rentgenového záření ve vakuu porovnal Zhong Yin z německého DESY v Hamburku (Deutsches Elektronen-Synchrotron); na workshopu reprezentoval skupinu dr. Simone Techertové z Göttingenu. Oproti kapalinovým celám, jejichž okénka se mohou porušit po zásahu již několika intenzivními rentgenovými pulzy, mají kapalinové trysky s průměry kapalinového sloupce od stovek po desítky mikrometrů schopnost kontinuálně obnovovat vzorek a netrpí nežádoucími efekty provázejícími ozáření rozhraní kapalného vzorku a pevného okénka. Na druhou stranu je v kapalinové trysce spotřeba vzorků (často mimořádně cenných a obtížně dostupných) mnohem větší, než při aplikaci statických kyvet.
Ve druhé přednášce představil dr. Timneanu pokroky výzkumné skupiny prof. Jánose Hajdú na Univerzitě v Uppsale v oblasti vývoje použitelného systému dávkování mikročástic pro účely zobrazování difrakcí (CDI) na FEL zdrojích koherentního rentgenového záření. Nejnovější prototyp dávkovače měl při 120hertzové frekvenci zdroje LCLS na AMO experimentu až 2200 úspěšných zásahů částic rentgenovým impulzem za minutu, což představuje až 30% využití všech impulzů – tedy o řád lepší nežli předchozí systémy. Uppsalský vstřikovač částic sestává ze dvou hlavních částí: systému produkce aerosolu založeného na plyn-kapalinové trysce a ze systému aerodynamických plynových čoček, které soustředí vzniklé aerosolové mikrokapičky do částicového paprsku. Výsledný paprsek z částic o rozměrech od dvou mikrometrů až po tři nanometry lze soustředit do tři mikrometry velkého ohniska za účelem optimálního využití fokusovaného rentgenového záření na AMO beamline LCLS.
Zdroj: K. Kadau, Et Al. Phys. Rev. Left.
Schéma principu plazmového zdroje rentgenového K-alfa záření terčového pevného materiálu
Prof. Klaus Sokolowski-Tinten z Universität Duisburg-Essen (Německo) podal obecný přehled různých aplikací pump-and-probe metody studia laserem indukovaných procesů v pevných materiálech využívající laboratorních i velkých zdrojů velmi krátkých rentgenových impulzů. Zaměřil se na své praktické zkušenosti s provozem laserového plazmové zdroje velmi krátkých rentgenových impulzů, jenž je jedním z klíčových sekundárních zdrojů plánovaných v rámci ELI Beamlines. Ukázal výsledky studia akustické relaxace laserem ohřívaných materiálů, přechodů z antiferomagnetického do feromagnetického stavu ve slitinách železa a rhodia, Peierlsova přechodu a koherentních fononů v bismutu, laserem indukovaného tepelného i netepelného tavení, laserem indukovaných fázových přeměn a laserové ablace s využitím metody rozptylu rentgenového záření pod malým úhlem.
Prof. Justin S. Wark z University of Oxford (Velká Británie) popsal jednu specifickou aplikaci nejsilnějších impulzů infračerveného laserového záření a laserem buzeného zdroje rentgenového záření pro studium dynamiky chování pevných látek pod velmi vysokým tlakem (nad 12 Mbar), který je charakteristický například pro jádra velkých planet (jako Saturn či Jupiter) a který je obtížně dosažitelný klasickými metodami fyziky a techniky vysokých tlaků. Optickým laserem indukovaná rázová vlna krátkodobě vytvoří nový stav hmoty, jehož chování lze v reálném čase monitorovat rentgenovou difrakcí, pokud máme k dispozici dostatečně krátké a intenzivní sondovací pulzy rentgenového záření. Tato výzkumná komunita očekává od ELI Beamlines především možnost překrytí impulzu nejsilnějšího laseru L4, který by měl být schopen dodat až 1,5 kJ během času kratšího než jedna nanosekunda (pump), s impulzem rentgenového záření z plazmového pulzního zdroje (probe) buzeného lasery L2 či L3, jež by měly být schopné dosáhnout petawattového výkonu. V diskusi prof. Wark uvedl, že ELI Beamlines by mělo důsledně hledat a rozvíjet takové možnosti a kombinace jeho svazků, které mu umožní pracovat v jiných spektrálních, dávkových a časových oborech, než jaké nabízejí rentgenové lasery s volnými elektrony jako LCLS, SACLA či European XFEL. Doporučuje zde spíše mód komplementární než kompetiční.
MARTIN PŘEČEK,
Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.