Lazer-plazma hızlandırıcısı, biyolojik görüntüleme için parlak X-ışınları üretebilir: simülasyonlar umut verdi

Canlı dokuları ve biyolojik molekülleri doğal, sulu ortamlarında yüksek çözünürlükle görmek isteyen araştırmacılar için yeni bir yol açılıyor. Heinrich Heine Düsseldorf Üniversitesi (HHU), ELI Beamlines araştırma tesisi ve Strathclyde Üniversitesi'nden bilim insanları, lazer-plazma temelli parçacık hızlandırıcılarının "su penceresi" denen X-ışını aralığına görece kolay erişim sağlayabileceğini model simülasyonlarla gösterdi. Çalışma Nature Communications dergisinde yayımlandı.

Su penceresi neden bu kadar değerli?

Su penceresi, dalga boyu yaklaşık 2,3 ile 4,4 nanometre arasında kalan yumuşak X-ışınlarını anlatıyor. Biyolojik sistemlerin büyük bölümü sudan oluşuyor. Biyolojik moleküller ise karbon ve azot gibi atomlar içeriyor. Su bu aralıktaki ışınım için saydam kalırken diğer atomlar onu güçlü biçimde soğuruyor. Bu fark, moleküllerin suyun içinde net biçimde ayırt edilmesini sağlıyor.

Sorun, bu ışınımın yeterli kalite ve şiddette elde edilmesinin teknik olarak zor olması. Şimdiye kadar bunu yalnızca büyük hızlandırıcı tesislerindeki serbest elektron lazerleri başarabildi.

Simülasyonlar ne gösterdi?

HHU'daki güçlü alan lazer plazma fiziği grubunun lideri ve çalışmanın sorumlu yazarı Dr. Bernhard Hidding'e göre araştırma topluluğu bugüne kadar, geleneksel elektron hızlandırıcılara dayanan kilometrelerce uzunluktaki serbest elektron lazer sistemlerine bağımlıydı. Ekip ise farklı bir yol izliyor: Anahtar bölümleri Düsseldorf'ta geliştirilmiş, lazer-plazma teknolojisine dayalı kompakt bir elektron hızlandırıcı.

Lazer-plazma hızlandırıcıda yüksek şiddetli bir lazer atımı, gaz içinde bir plazma dalgası oluşturuyor. Bu dalganın aşırı yüksek alan şiddeti, elektronları yalnızca birkaç santimetrelik bir mesafede neredeyse ışık hızına çıkarabiliyor.

Çalışmanın baş yazarı, Strathclyde Üniversitesi'nde Hidding'in grubunda doktora araştırmacısı olan Lily Berman, simülasyonların yeni tür ve son derece parlak elektron atımlarının "manyetik undülatörlerde" X-ışını ları üretebildiğini gösterdiğini belirtiyor. Berman'a göre bu larda elektron enerjisinin en yüksek oranı X-ışını enerjisine dönüşüyor ve bunun için birkaç metre yeterli. Süreç ayrıca çok sağlam ve esnek biçimde ayarlanabilir olmalı.

Serbest elektron lazeri nasıl çalışıyor?

Undülatör, dönüşümlü kutuplu bir dizi dipol mıknatıstan oluşan bir yapı. İçinden geçen elektron sinüs biçimli bir yola zorlanıyor. Bu sürekli ivmelenme parçacıkların sinkrotron ışınımı yaymasına yol açıyor. Işınımın dalga boyu, sinüs hattının biçimi ve genliğiyle hassas biçimde denetlenebiliyor.

Serbest elektron lazerinde ise önceden yayılmış ışınım sonraki elektronlarla etkileşiyor ve onları küçük paketler halinde topluyor. Bu paketler undülatörden bir sonraki geçişte ışınımlarını aynı fazda, yani tüm ışık dalgaları aynı hızda salınarak yayıyor. Böylece ışınım, geleneksel bir lazerde olduğu gibi çığ benzeri bir mekanizmayla güçleniyor ve çok kısa, son derece parlak ışık atımları ortaya çıkıyor.

ELI'de baş araştırmacı olan Dr. Fahim Habib, böyle bir kaynağın serbest elektron lazeri olarak çalışıp çalışamayacağının esas olarak elektron demetlerinin kalitesine bağlı olduğunu söylüyor. Habib'e göre çalışma, yeni bir hibrit lazer-plazma hızlandırıcının gerekli koşulları yaratabileceğini ortaya koyuyor. Ekip bu yaklaşımı yakın gelecekte deneysel olarak sınayacak.

Arka plan

Yumuşak X-ışınlarıyla görüntüleme ve spektroskopi, hücrelerin ve biyomoleküllerin yapısını incelemede güçlü araçlar arasında. Ancak bu tekniklerin kullandığı ışık kaynakları bugün çoğunlukla ulusal ölçekte kurulan, inşası ve işletimi pahalı dev tesislerde bulunuyor. Araştırmacıların ölçüm zamanı için sıraya girmesi ve örneklerini bu merkezlere taşıması gerekebiliyor.

Lazer-plazma hızlandırma fikri, geleneksel hızlandırıcıların metrelerce hatta kilometrelerce süren hızlandırma mesafesini çok kısaltma hedefiyle uzun süredir araştırılıyor. Zorluk, elektron demetinin ışınım üretecek kadar düzenli, kararlı ve parlak olmasını sağlamakta. Bu nedenle haberdeki çalışma, yalnızca küçük bir cihaz fikri sunmuyor; demet kalitesi sorununa yönelik bir çözüm önerisi de getiriyor. Yine de sonuçlar şimdilik simülasyona dayanıyor ve gerçek laboratuvar ortamındaki performans deneylerle doğrulanmak zorunda.

Neden önemli?

Hidding'e göre sistem çok kompakt ve geleneksel parçacık hızlandırıcılara kıyasla maliyetinin çok küçük bir bölümüyle kurulabilir. Bu da onu üniversitelere ve araştırma kuruluşlarına, hatta ticari kullanıma taşıyabilir. Su penceresi aralığında X-ışını görüntüleme ve spektroskopi, yalnızca birkaç büyük ulusal laboratuvarla sınırlı kalmayıp daha geniş bir araştırma ortamına yayılabilir.

Bu gerçekleşirse biyolojik örneklerin doğal ortamında incelenmesi daha erişilebilir hale gelebilir. Önümüzdeki aşamada belirleyici olan, planlanan deneylerin simülasyondaki umut verici tabloyu doğrulayıp doğrulamayacağı olacak.