Krakowscy naukowcy nie muszą już jeździć do synchrotronu we Francji czy w Niemczech. Nowe laboratorium AGH daje porównywalne możliwości w jednym pomieszczeniu.
Synchrotron to budowla wielkości stadionu, kosztująca setki milionów euro, do której naukowcy z całego świata latają samolotem i czekają miesiącami na kilka dni czasu pomiarowego. AGH w Krakowie właśnie uruchomiła laboratorium, które daje porównywalną jakość wiązki rentgenowskiej – w pokoju o powierzchni 36 m2 na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej. Sercem instalacji jest lampa, jakiej w Polsce dotąd nie było: MetalJet z anodą z ciekłego metalu, zdolna generować promieniowanie rentgenowskie o intensywności, do której zwykłe aparaty RTG choćby się nie zbliżają.
Ciekły metal zamiast stałego
Każdy aparat RTG działa na tej samej zasadzie: strumień elektronów uderza w materiał (anodę), a materiał emituje promieniowanie rentgenowskie. Im więcej energii dostarczysz elektronom i im gęściej skupisz wiązkę na anodzie, tym jaśniejsze i bardziej precyzyjne promieniowanie uzyskasz.
Problem ze zwykłymi aparatami RTG polega na tym, iż anoda jest ze stałego metalu – zwykle miedzi, molibdenu lub wolframu. Wiązka elektronów uderza w stały materiał i go nagrzewa. jeżeli dostarczysz za dużo mocy, anoda się topi, uszkadza i traci jakość. To fizyczny sufit, którego nie da się przeskoczyć: jasność konwencjonalnego źródła RTG jest ograniczona przez to, ile ciepła wytrzyma kawałek stałego metalu.
Lampa MetalJet zamiast stałej anody używa strumienia ciekłego metalu (stopu galu, indu i cyny), który przepływa z prędkością do 100 m/s. Metal jest już stopiony, więc nie ma się czego topić. Strumień nieustannie się regeneruje, dostarczając świeży materiał anodowy. Wiązka elektronów może bombardować go z mocą, która zniszczyłaby każdą stałą anodę, a ciekły metal przyjmuje to obciążenie bez degradacji, pracując w trybie 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, z przerwą na konserwację raz na rok.
Wiązka generowana przez lampę MetalJet osiąga jasność choćby stukrotnie wyższą niż konwencjonalne źródła przy tym samym rozmiarze ogniska. W wybranych zakresach energii parametr ten zbliża się do wartości charakterystycznych dla wiązek synchrotronowych – uzyskiwanych dotąd wyłącznie w wielkoskalowych pierścieniach akumulacyjnych o obwodzie setek metrów i wymagających licznej obsługi.
36 metrów kwadratowych kontra boisko
Do tej pory polscy naukowcy, którzy potrzebowali wiązki RTG o parametrach synchrotronowych, musieli ubiegać się o czas pomiarowy w wielkich ośrodkach europejskich: ESRF w Grenoble, DESY w Hamburgu, SOLARIS w Krakowie (polskim synchrotronie, który jednak specjalizuje się w promieniowaniu ultrafioletowym i miękkim RTG, nie w twardych promieniach X do 160 keV). Proces aplikacji trwa miesiące, czas pomiarowy jest ograniczony do kilku dni, transport próbek wymaga logistyki., a każda zmiana parametrów eksperymentu oznacza nową aplikację i nowe czekanie.
Laboratorium na AGH fundamentalnie zmienia dotychczasowy model prowadzenia zaawansowanych badań rentgenowskich. Polscy naukowcy zyskują dostęp do infrastruktury pozwalającej na elastyczne planowanie eksperymentów, wielokrotne powtarzanie pomiarów i testowanie hipotez bez ograniczeń czasowych typowych dla synchrotronów. Pozyskanie pełnego zestawu danych, które wcześniej wymagało nocnej sesji pomiarowej, w tej chwili zajmuje poniżej godziny, choćby w przypadku ekstremalnie małych próbek.
System na AGH oferuje wiązkę o maksymalnej energii 160 keV, co pozwala prześwietlać materiały trudno przenikliwe, których konwencjonalne aparaty nie są w stanie zbadać. Jednocześnie ma dostęp do dwóch linii o charakterystycznych energiach 9,2 keV i 24 keV. Daje to elastyczność w doborze parametrów do konkretnego eksperymentu.
Aż 8 detektorów pokrywa różne geometrie pomiarowe, a modularna konstrukcja pozwala na szybką wymianę elementów: optyki, detektorów, układów mocowania próbek i dodatków, takich jak komory temperaturowe (badanie materiałów w ekstremalnych temperaturach) czy moduły wytrzymałościowe (badanie materiałów pod obciążeniem – ściskanie, rozciąganie).
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
