211service.com
Een miniatuur synchrotron
Synchrotrons zijn enorme faciliteiten die intense, hoogwaardige röntgenstralen kunnen produceren voor wetenschappelijke doeleinden. Ze zijn meestal zo groot als een voetbalveld en kosten honderden miljoenen dollars om te bouwen en te exploiteren. Maar nu, onderzoekers van Lyncean Technologies , een startup in Palo Alto, CA, heeft de synchrotron verkleind tot de grootte van een kamer. Deze miniatuursynchrotron biedt wetenschappers een nieuwe manier om hoogwaardige röntgenexperimenten uit te voeren in hun eigen lab.
Röntgenfoto's thuis: Een schema van de miniatuur synchrotron (boven) toont de elektronenstraalinjector (groene buis) en opslagring. De elektronenbundel circuleert rond de ring en botst bij elke bocht met een laserpuls, waardoor uitbarstingen van röntgenstralen worden uitgezonden. Onderkant: een gedetailleerde weergave toont de componenten van de miniatuursynchrotron, die in een kamer past.
Lyncean heeft een prototype synchrotron gebouwd en is bezig met de bouw van een nieuwe synchrotron die dit jaar op de Scripps-onderzoeksinstituut in La Jolla, Californië. De nieuwe synchrotron zal worden gebruikt door de Accelerated Technologies Center for Gene to 3D Structure , dat deel uitmaakt van het Protein Structure Initiative van de National Institutes of Health.
Het tafelinstrument is niet zo krachtig als de grote synchrotrons, zegt Ronald Ruth, president en hoofdwetenschapper van Lyncean. Maar aan de andere kant is het veel goedkoper en erg compact. Hij vergelijkt de nationale synchrotrons met supercomputers, waar veel gebruikers voor een beperkte tijd moeten strijden op een van de balken. [De synchrotrons] richten zich op de stand van de techniek, zegt Ruth. Ze duwen de envelop. Maar hun impact is zo breed als het aantal mensen dat bereid is te reizen om daarheen te gaan. De miniatuursynchrotron lijkt meer op een pc, zegt hij, gedeeld door een paar gebruikers en direct beschikbaar.
Röntgenstralen zijn nuttig bij het onderzoeken van de eigenschappen van materialen, omdat hun golflengte ongeveer even groot is als atomen en de chemische bindingen daartussen. Röntgenkristallografie is bijvoorbeeld een belangrijke methode bij het bepalen van de eiwitstructuur. Röntgenstralen buigen af als ze door een eiwitkristal gaan, waardoor een karakteristiek interferentiepatroon ontstaat. Door het patroon te analyseren, kunnen wetenschappers de rangschikking van de atomen afleiden en zo de structuur van het eiwit bepalen.
Voor dit soort onderzoeken heeft synchrotronstraling voordelen ten opzichte van gewone röntgenbronnen: het is honderd miljoen keer helderder en sterk geconcentreerd, wat zeer nauwkeurige experimenten met hoge resolutie mogelijk maakt. Synchrotrons produceren ook een continue bron van röntgenstralen, in plaats van de korte bursts die worden gegenereerd door gewone röntgenbuizen. En het licht van een synchrotron is afstembaar, zodat onderzoekers de energie kunnen afstemmen op het materiaal dat wordt onderzocht.
De kwaliteit van het licht van de miniatuursynchrotron is net zo goed als de grote machines, zegt Franz Pfeiffer, een natuurkundige aan het Paul Scherrer Instituut en de École Polytechnique Federale in Lausanne, Zwitserland. Dat maakt het zo aantrekkelijk, zegt hij. [Het] combineert het voordeel van iets relatief kleins met de voordelen van de extreem heldere straal die beschikbaar is via synchrotrons. Het is erg leuk om te hebben.
Ruth stelde voor het eerst vast dat een miniatuursynchrotron eind jaren negentig mogelijk zou zijn, toen hij professor was aan het Stanford Linear Accelerator Center. Ruth en een afgestudeerde student, Zhirong Huang, waren op zoek naar een manier om elektronenstralen te koelen door ze te laten stralen. Ze ontdekten dat het raken van de stralen met een laser ze niet alleen effectief afkoelde, maar ook röntgenstralen genereerde.
Dit effect bleek de sleutel te zijn om de synchrotron op maat te verkleinen. Grote synchrotrons gebruiken magnetische golvingen die de elektronenstraal heen en weer bewegen terwijl deze rond een grote opslagring circuleert. Ruth legt uit dat dat wiebelen, in de orde van één centimeter, röntgenstralen genereert die worden afgeworpen op een raaklijn aan de cirkel, net zoals een ronddraaiend zoeklicht licht schijnt.
De miniatuursynchrotron gebruikt alleen een bewegende laserpuls die interageert met de elektronenstraal telkens wanneer deze rond de opslagring gaat, die op een tafelblad past. Het wiebelen is een tienduizendste zo klein - slechts een micrometer - en de röntgenstralen worden in een enkele straal uitgezonden.