Simulări arată că un accelerator laser-plasma ar putea genera raze X intense pentru imagistica biologică
Razele X cu lungimi de undă cuprinse între aproximativ 2,3 și 4,4 nanometri, situate în așa-numita „fereastră a apei”, sunt deosebit de potrivite pentru examinarea probelor biologice în mediul lor natural, apos. Până în prezent, însă, obținerea acestui tip de radiație la o calitate și intensitate adecvate a fost dificilă din punct de vedere tehnic, întrucât doar laserele cu electroni liberi din cadrul unor sisteme de accelerare de mari dimensiuni pot genera astfel de radiații.
O echipă europeană de cercetători de la Universitatea Heinrich Heine din Düsseldorf (HHU), facilitatea de cercetare ELI Beamlines și Universitatea Strathclyde a demonstrat prin simulări că acceleratoarele de particule bazate pe laser-plasma pot oferi un acces facil la acest interval de radiații, potrivit unui studiu publicat în revista Nature Communications.
Sistemele biologice sunt compuse în mare parte din apă, în timp ce moleculele biologice conțin, de exemplu, carbon și azot. Pentru reprezentarea acestor molecule la rezoluție înaltă este utilă radiația electromagnetică pentru care apa este transparentă, dar care este puternic absorbită de alți atomi. Acest lucru se aplică tocmai radiației soft X din „fereastra apei”.
Dr. Bernhard Hidding, liderul grupului de fizică a plasmei laser cu câmp intens de la HHU și autor corespondent al studiului, a declarat: „Până în prezent, comunitatea de cercetare a depins de sisteme laser cu electroni liberi lungi de kilometri – bazate pe acceleratoare convenționale de electroni – pentru a obține radiații suficient de intense pentru examinările biologice. Împreună cu facilitatea ELI Beamlines din Dolní Břežany, Cehia, și Universitatea Strathclyde din Scoția, abordăm o cale diferită: dorim să folosim un accelerator compact de electroni bazat pe tehnologia laser-plasma, ale cărei aspecte esențiale au fost dezvoltate la Düsseldorf.”
Într-un accelerator laser-plasma, un impuls laser de intensitate ridicată generează o undă de plasmă într-un gaz. Intensitatea extrem de mare a câmpului acesteia poate accelera electronii până aproape de viteza luminii în spațiul de doar câțiva centimetri.
Lily Berman, cercetătoare doctorală în grupul lui Hidding la Universitatea Strathclyde și autoarea principală a studiului, a afirmat: „Simulările noastre arată că noile impulsuri ultraluminoase de electroni din «undulatoare magnetice» pot produce raze X, în care cantitatea maximă de energie a electronilor este convertită în energie de raze X, în doar câțiva metri. Procesul ar trebui să fie de asemenea foarte robust și ajustabil în mod flexibil.”
Dr. Fahim Habib, investigator principal la facilitatea de cercetare ELI (Extreme Light Infrastructure), a spus: „Dacă o astfel de sursă de radiații poate funcționa ca laser cu electroni liberi depinde în primul rând de calitatea fasciculelor de electroni. Studiul nostru arată că un nou accelerator hibrid laser-plasma ar putea crea premisele necesare. Vom testa această abordare experimental în viitorul apropiat.”
În privința perspectivelor viitoare, Hidding a declarat: „Deoarece un astfel de sistem este foarte compact și poate fi construit la o fracțiune din costul acceleratoarelor de particule convenționale, ar putea fi amplasat și la universități și facilități de cercetare sau utilizat în scopuri comerciale. Imagistica și spectroscopia cu raze X în fereastra apei pot fi astfel extinse de la câteva laboratoare naționale majore la peisajul de cercetare mai larg.”
Undulatoare și lasere cu electroni liberi
Un undulator este o structură formată dintr-o serie de magneți dipolari cu polaritate alternantă. Când un electron trece prin acești magneți, este forțat să urmeze o traiectorie sinusoidală. Accelerația continuă care apare determină particulele să emită radiație de sincrotron – radiație electromagnetică a cărei lungime de undă poate fi controlată cu precizie prin forma și amplitudinea liniei sinusoidale.
Construind pe tehnologia undulatorului, această metodă exploatează faptul că radiația deja emisă interacționează cu electronii următori, grupându-i în pachete mici. În timpul următoarei treceri prin undulator, aceste pachete își emit radiația de sincrotron în fază – toate undele luminoase oscilează exact cu aceeași rată. În ansamblu, radiația din laserul cu electroni liberi este amplificată printr-un mecanism de avalanșă – la fel ca într-un laser convențional. Sistemul produce impulsuri de lumină ultrascunde, extrem de intense, reglabile pe o gamă largă de lungimi de undă.
