Onderzoekers hebben nieuwe röntgenoptica ontwikkeld die kunnen worden gebruikt om extreem snelle pulsen te benutten in een pakket dat aanzienlijk kleiner en lichter is dan conventionele apparaten die worden gebruikt om röntgenstralen te moduleren. De nieuwe optica is gebaseerd op microscopische chip-gebaseerde apparaten die bekend staan ​​als micro-elektromechanische systemen (MEMS).

"Onze nieuwe ultrasnelle optics-on-a-chip is klaar om röntgenonderzoek en toepassingen mogelijk te maken die een brede impact kunnen hebben op het begrijpen van snel evoluerende chemische, materiële en biologische processen, ", zei onderzoeksteamleider Jin Wang van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie. "Dit zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van efficiëntere zonnecellen en batterijen, geavanceerde computeropslagmaterialen en -apparaten, en effectievere medicijnen voor het bestrijden van ziekten."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express , demonstreerden de onderzoekers hun nieuwe X-ray optics-on-a-chip-apparaat, die ongeveer 250 micrometer meet en slechts 3 microgram weegt, met behulp van de röntgenbron bij Argonne's Advanced Photon Source synchrotron. Het kleine apparaat presteerde 100 tegen 1, 000 keer sneller dan conventionele röntgenoptica, die vaak omvangrijk zijn.

"Hoewel we het apparaat hebben gedemonstreerd in een grote röntgensynchrotronfaciliteit, wanneer volledig ontwikkeld, het kan worden gebruikt met conventionele röntgengeneratoren die worden gevonden in wetenschappelijke laboratoria of ziekenhuizen, "zei Wang. "Dezelfde technologie kan ook worden gebruikt om andere apparaten te ontwikkelen, zoals nauwkeurige doseringssystemen voor bestralingstherapie of snelle röntgenscanners voor niet-destructieve diagnostiek."

Snelle processen vastleggen

Röntgenstraling kan worden gebruikt om zeer snelle processen vast te leggen, zoals chemische reacties of de snel veranderende dynamiek van biologische moleculen. Echter, dit vereist een extreem snelle camera met een snelle sluitertijd. Omdat veel materialen die ondoorzichtig zijn voor licht transparant zijn voor röntgenstralen, kan het moeilijk zijn om de snelheid van sluiters die effectief zijn voor röntgenstralen te verbeteren.

Om deze uitdaging op te lossen, het onderzoeksteam, bestaande uit wetenschappers van Argonne's Advanced Photon Source en Center for Nanoscale Materials, wendde zich tot MEMS-gebaseerde apparaten. "Naast dat het wordt gebruikt in veel van de elektronica die we dagelijks gebruiken, MEMS worden ook gebruikt om licht te manipuleren voor snelle communicatie, " zei Wang. "We wilden weten of op MEMS gebaseerde fotonische apparaten vergelijkbare functies voor röntgenstralen kunnen vervullen als met zichtbaar of infrarood licht."

In het nieuwe werk de onderzoekers laten zien dat het extreem kleine formaat en gewicht van hun op MEMS gebaseerde sluiter het mogelijk maakt om te oscilleren met snelheden die gelijk zijn aan ongeveer een miljoen omwentelingen per minuut (rpm). De onderzoekers gebruikten deze hoge snelheid en de röntgendiffractieve eigenschap van het MEMS-materiaal om een ​​extreem snelle röntgensluiter te creëren.

Sluitertijd verhogen

Met behulp van hun nieuwe optiek-op-een-chip met röntgenstralen geproduceerd door de Advanced Photon Source, de onderzoekers toonden aan dat het een stabiele sluitertijd van slechts één nanoseconde kon bieden met een extreem hoog aan/uit-contrast. Dit zou kunnen worden gebruikt om enkele röntgenpulsen uit de bron te extraheren, zelfs als de pulsen slechts 2,8 nanoseconden van elkaar verwijderd waren.

"We laten zien dat onze nieuwe op chips gebaseerde technologie functies kan uitvoeren die niet mogelijk zijn met conventionele grote optica, "zei Wang. "Dit kan worden gebruikt om ultrasnelle sondes te maken voor het bestuderen van snelle processen in nieuwe materialen."

De onderzoekers werken er nu aan om de apparaten veelzijdiger en robuuster te maken, zodat ze gedurende lange tijd continu kunnen worden gebruikt. Ze integreren ook de randsystemen die worden gebruikt met de kleine chip-gebaseerde MEMS-apparaten in een inzetbaar stand-alone instrument.