Gelişmiş Foton Kaynağı Nedir? Ultra Parlak X-Ray Kirişleri Nasıl Yapılır?

Saat 4 oldu ve yaklaşık 20 saattir kalktım. Yanıp sönen kırmızı flaş ışıkları eşliğinde yüksek bir alarm çalıyor. Sert bir ses, “B istasyonu aranıyor B derhal çıkın” diye bildirir. Acil bir durum gibi geliyor, ama değil. Aslında, alarm bugün zaten 60 ya da 70 kez çaldı. Etraftaki herkese, yüksek güçlü bir X-ışını ışınını elektronik cihazlarla dolu ve buharlaşan sıvı azotun erikleriyle dolu küçük bir odaya patlatmak üzere olduğumu bildirmek bir uyarıdır.

İstasyon B adı verilen bu odanın ortasına, minik bir cam elyafın ucuna insan saçı kalınlığında olmayan bir kristal yerleştirdim. Bu kristallerden onlarca tane hazırladım ve hepsini analiz etmeye çalışıyorum.

Bu kristaller, bilgisayar yongaları, LED ışıklar, akıllı telefon ekranları ve güneş panelleri yapmak için kullanılan organik yarı iletken malzemelerden yapılmıştır. Kristallerin içindeki her bir atomun nerede olduğunu, ne kadar yoğun olduklarını ve birbirleriyle nasıl etkileşime girdiklerini tam olarak bulmak istiyorum. Bu bilgi, elektriğin içinden ne kadar iyi akacağını tahmin etmeme yardımcı olacak.

Bu atomları görmek ve yapılarını belirlemek için, ışığın yakınında yakınlaşan bir kilometre uzunluğundaki elektron döngüsünü içeren devasa bir bilimsel araç olan bir senkrotronun yardımına ihtiyacım var. Ayrıca mikroskop, jiroskop, sıvı azot, biraz şans, yetenekli bir meslektaşım ve üç tekerlekli bisiklete ihtiyacım var.

Kristali Yerine Getirmek

Bu deneyin ilk adımı, çok küçük kristallerin cam elyafının ucuna yerleştirilmesidir. Bir yığınını bir cam lamın üzerine kazımak ve bir mikroskop altına koymak için bir iğne kullanıyorum. Kristaller güzel - küçük taşlar gibi renkli ve yönlü. Sık sık kendimi mikroskopta uykusuz gözlerle bakıp kendimi bir cam elyafın ucuna titizlikle çekmeden önce bakışlarımı yeniden değiştirerek bulaştırdım.

Elyafa bağlı kristali aldığımda, kristali B istasyonunun içindeki bir jiroskopun ucunda merkezleme sık sık sinir bozucu görevine başlıyorum. Bu cihaz kristali etrafında yavaşça ve sürekli döndürerek X almamı sağlayacak her taraftan ışın görüntüleri.

Döndükçe, onu soğutmak için sıvı azot buharı kullanılır: Oda sıcaklığında bile, atomlar ileri ve geri titreşir ve net görüntüler elde etmelerini zorlaştırır. Kristali eksi 196 santigrat dereceye kadar soğutmak, sıvı azotun sıcaklığı, atomların bu kadar çok hareket etmesini önler.

X-ışını Fotoğrafçılığı

Kristali merkezledikten ve soğuduktan sonra, B istasyonunu kapatıyorum ve bunun dışındaki bir bilgisayar kontrol merkezinden, numuneyi X-ışınları ile fırlatıyorum. Ortaya çıkan görüntü, kırınım deseni olarak adlandırılır ve turuncu bir arka plan üzerinde parlak noktalar olarak görüntülenir.

Yaptığım şey bir kamera ve flaşla fotoğraf çekmekten çok farklı değil. Bir nesneye ışık ışınları göndermek üzereyim ve ışığın nasıl sıçradığını kaydetmek üzereyim. Fakat atomları fotoğraflamak için görünür ışığı kullanamıyorum - çok küçükler ve spektrumun görünür kısmındaki ışığın dalga boyları çok büyük. X ışınları, daha kısa dalga boylarına sahiptir, bu yüzden atomları dağıtacak veya sıçrayacaktır.

Ancak, bir kameradan farklı olarak, kırılmış X ışınları basit bir mercekle odaklanamaz. Fotoğrafa benzer bir görüntü yerine, topladığım veriler, kristalimdeki atomlardan sıçradıktan sonra X ışınlarının nereye gittiğinin odaklanmamış bir şeklidir. Bir kristal hakkındaki tam bir veri seti, jiroskop döndürürken, tüm kristalin etrafındaki her açıdan çekilen bu görüntülerden oluşur.

İleri Matematik

Meslektaşım Nicholas DeWeerd yakınlarda oturuyor ve topladığım veri setlerini analiz ediyor.Ekrandaki kırınım görüntülerine bakarak, kristalin tüm taraflarındaki X-ışını görüntülerini kristalin içindeki bir atom resmine çevirmek için, patlama alarmlarını ve yanıp sönen ışıkları saatlerce görmezden gelmeyi başardı.

Geçtiğimiz yıllarda, bu işlem elle yapılan yıllar süren dikkatli hesaplamalar yapmış olabilir, ancak şimdi tüm parçaları bir araya getirmek için bilgisayar modellemesi kullanıyor. Bulmacamızın bu bölümünde araştırma grubumuzun gayri resmi uzmanıdır ve onu seviyor. “Noel gibi!” Parıldayan desenlerin parıldayan görüntülerini çevirdiği için mırıldandığını duyuyorum.

İstasyon B'de tünemiş olan kristal fotoğraflarını çekmek için senkotronu ateşlerken, gecenin çok geç saatlerinde tutmayı başardığı coşkuya gülümsüyorum, ekranda beliren ilk birkaç açının kırınım desenleri olarak nefesimi tutuyorum. Her şeyi kusursuz ayarlasam bile, tüm kristaller dağılmaz. Çünkü bunun nedeni, her kristalin birbirine yapışmış çok daha küçük kristallerden veya matematiksel olarak çözebileceğimiz tekrar eden kristalin bir desen oluşturmak için çok fazla safsızlık içeren kristallerden oluşmasıdır.

Eğer bu net görüntüler sunmuyorsa, baştan başlamak ve bir tane daha kurmak zorunda kalacağım. Neyse ki, bu durumda, açılan ilk birkaç görüntü, parlak, net kırınım noktaları gösterir. Veri setinin geri kalanını toplamak için gülümser ve arkama yaslanırım. Şimdi jiroskop dönüyor ve X-ışını ışını örneği patlattığında, dinlenmek için birkaç dakikam var.

Ben uyanık kalmak için biraz kahve içerdim, ama ellerim zaten kafein aşırı yüklenmesinden titriyor. Bunun yerine, Nick'i çağırıyorum: “Bir tur atacağım.” Yakında oturan bir grup üç tekerlekli bisiklete doğru yürüyorum. Normalde sadece senkrotron içeren büyük binanın etrafını dolaştırmak için kullanılır, onları, bazı egzersizlerle uyanmak için çaresiz bir girişim için eşit derecede faydalı buluyorum.

Sürerken, jiroskoptaki kristalleri düşünüyorum. Aylarca onu sentezleyerek geçirdim ve yakında bir resmini çekeceğim. Resimde, geçmişte yaptığım diğer malzemelerden biraz farklı kılan, üzerinde yaptığım değişikliklerin onu geliştirip geliştirmediğini anlayacağım. Daha iyi paketleme veya moleküller arası etkileşimlerin artmış olduğuna dair kanıt görürsem, bu, molekülün elektronik cihazlarda test için iyi bir aday olduğu anlamına gelebilir.

Yorgun, ama mutlu çünkü yararlı veri topluyorum, senkrotronun yüksek talep gördüğüne dikkat ederek yavaşça dönüyorum. Kiriş çizgisi çalışırken, 7/24 kullanılır, bu yüzden gece boyunca çalışıyorum. Hiç zaman aralığı bulduğum için şanslıydım. Diğer istasyonlarda, benim gibi diğer araştırmacılar gece geç saatlere kadar çalışıyorlar.

Bu makale ilk olarak The Kerry’de Kerry Rippy tarafından yayımlandı. Orijinal makaleyi buradan okuyun.