Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 32 – vyšlo 1. srpna, ročník 6 (2008)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Zobrazování malých objektů rentgenovým laserem

Miroslav Havránek

Objev rentgenového záření patří bezesporu mezi nejužitečnější objevy v historii. Prvním člověkem, který systematicky prováděl experimenty s tehdy ještě neznámými paprsky X byl Wilhelm Conrad Röntgen. Jeho primitivní zdroj záření byl založen na vakuové trubici připojené na vysoké napětí. Brzděním elektricky nabitých částic vznikalo krátkovlnné elektromagnetické záření. V jistých obměnách se tento princip používá u běžných rentgenů dodnes. Röntgenova odvaha při experimentech byla obdivuhodná. Neváhal ozařovat sebe i svou manželku. Při jednom z jeho pokusů dokonce přiblížil hlavu k vakuové trubici pod napětím a pozoroval záření, které vznikalo jako následek excitace a ionizace atomů v kapalině uvnitř jeho oka. Objev rentgenového záření přinesl okamžitě řadu aplikací v lékařství, biologii, materiálovém inženýrství, ale třeba i v paleontologii. V dnešním bulletinu se zaměříme na zobrazování malých objektů pomocí rentgenových laserů.

LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.

Difrakce – ohyb. Skládání mnoha vln do maxim a minim charakteristické vlnové délky. Zdrojem skládaných vln může být okraj malého otvoru, hrana překážky nebo periodická struktura (například krystalová mřížka).

Koherence – situace, při které je fázový rozdíl interferujících vln z daného zdroje či objektu v určitém bodě prostoru konstantní a nebo se pomalu mění v čase. Opakem koherence jsou nepravidelné a dostatečně rychlé změny fázového rozdílu interferujících vln. Ideální koherence nelze nikdy dosáhnout.

CCD – Charge Coupled Device, zařízení s nábojovou vazbou, umožňuje převést paralelní analogový signál (elektrický náboj kumulovaný v potenciálových jámách) na sériový signál, daný časovou posloupností proudových pulzů úměrných kumulovanému náboji. Při serializaci paralelní informace CCD funguje jako posuvný registr, který umožňuje postupné posouvání náboje změnou potenciálového profilu řízenou hodinovým signálem. (Přesun náboje si lze přestavit podobně jako řetěz lidí předávajících si při požáru na povel různě naplněná vědra s vodou. S každým povelem se konkrétní vědro posune o krok blíže k požáru. Časový průběh proudu vody vylitého do ohně odráží prostorové rozložení objemů vody ve vědrech.) Potenciálové jámy mohou být umístěny vedle sebe pouze v jediné řadě (lineární CCD) nebo ve více řadách (plošné CCD). Nejznámějšími CCD jsou fotoelektrické snímače, kdy se rozložení náboje vytváří vnitřním fotoefektem. Mohou však sloužit i jako paměťové prvky (například jako odkládací paměť pro výše zmíněné fotoelektrické snímače). V zobrazovacích zařízeních jsou nejmenší rozměry jednoho CCD pixelu 9×9 mikrometrů a plošné senzory jsou tvořeny maticí velkou až 5120×5120 pixelů. Chlazené CCD senzory pracují se šumem odpovídajícím 4 až 7 elektronům. (Údaje z roku 2008.)

Zobrazování malých objektů

Při zobrazování malých objektů dochází k celé řadě problémů, které určují hranice dané metody. V extrémně tenkých objektech řádu mikrometrů zainteraguje jen velmi malý počet z celkového množství prolétávajících fotonů. Výsledným efektem je nízký kontrast obrazu. Dalším omezujícím faktorem je konečná velikost zdroje záření, což způsobí rozmazání ostrých hran objektů. Pomocí klasických projekčních metod se lze dostat s rozlišením na škálu jednotek mikrometrů. Klasické projekční metody

Klasické projekční metody. Pokud je zdroj záření dostatečně malý a detektor dostatečně vzdálen od vzorku, získáme zvětšený obraz. V opačném případě se projeví rozmazání hran a snížení rozlišení.

Pokud má vzorek periodickou strukturu, jako například krystalická mřížka, lze využít pro zesílení záření v určitém směru difrakciDifrakce – ohyb. Skládání mnoha vln do maxim a minim charakteristické vlnové délky. Zdrojem skládaných vln může být okraj malého otvoru, hrana překážky nebo periodická struktura (například krystalová mřížka).. Pro snazší pochopení zvolme vlnový popis záření. Jediná elektromagnetická vlna interaguje s několika sousedními atomy v krystalické mřížce. Každý atom se tak chová jako elementární zdroj záření. Vzdálenost mezi atomy zavádí konstantní fázový posuv mezi vlnami vyzařovanými atomy. V určitých směrech lze pozorovat interferenční maxima a minima. Podmínka pro vznik interferenčního maxima je dána Braggovou rovnicí. Analýzou difrakčního obrazce lze získat informace o struktuře krystalové mřížky. Vzdálenost sousedních atomů v mřížce se pohybuje v řádu 0,1 nm.

Difrakce

Difrakce rentgenového záření na krystalické mřížce.

Problém nastane, pokud bychom chtěli zkoumat strukturu malých objektů, které nemají periodickou strukturu. Vzorky na rozměrové škále desítek nanometrů není již prakticky možné zobrazit pomocí klasických rentgenů. Řešení nabízejí rentgenové laseryLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.. Zde je možné využít podobné metody jako při zobrazování krystalických mřížek. V předchozích případech jsme měli zdroj nekoherentníhoKoherence – situace, při které je fázový rozdíl interferujících vln z daného zdroje či objektu v určitém bodě prostoru konstantní a nebo se pomalu mění v čase. Opakem koherence jsou nepravidelné a dostatečně rychlé změny fázového rozdílu interferujících vln. Ideální koherence nelze nikdy dosáhnout. záření s náhodným rozdělením fází. Konstantní fázový posuv byl zaveden až vlivem periodické krystalické mřížky, zatímco koherentní záření rentgenového laseru dopadající na vzorek má přesně definované fázové poměry. Průchodem záření skrze vzorek se díky neperiodické struktuře atomů tyto fázové poměry změní. V jistých směrech se záření zesílí (zeslabí) vlivem konstruktivní (destruktivní) interferenceInterference – skládání vln z několika zdrojů. V daném místě se sčítají amplitudy vln. Jsou-li v protifázi, dojde k zeslabení výsledné vlny (destruktivní interferenci). Jsou-li ve fázi, dojde k zesílení výsledné vlny (konstruktivní interferenci). V detekčním přístroji se detekuje intenzita vlny, která je úměrná druhé mocnině amplitudy.. Za vzorkem lze zachytit difrakční obrazec, ze kterého je možno zpětně určit strukturu vzorku.

Zobrazování viru rentgenovým laserem

Jianwei Miao se svými kolegy z amerických a japonských univerzit provedli experiment, při kterém se pokusili zobrazit myší herpesvirusHerpesvirus – DNA virus s dvojvláknovou nukleovou kyselinou. Má kubickou symetrii, replikuje se v jádře a v hostiteli přetrvává celoživotně. – 68. Tento virusVirus – struktura nacházející se na hranici mezi živým a neživým. Ty nejprimitivnější viry obsahují pouze svoji genetickou informaci ve formě DNA nebo RNA, které jsou uloženy ve vnitřní části (nukleoidu) obklopeném proteinovou schránkou (kapsidou). Obalené viry mají navíc virový obal z membrány tvořené proteinovou a lipidovou dvouvrstvou. Viry nejsou schopny samostatné replikace bez hostitelské buňky. Buňka slouží pouze jako biologická továrna a sklad náhradních dílů potřebných pro vznik nových virů. má rozměr přibližně 200 nm. Vědci využili laseru na bázi volných elektronů (AB 18/2008) na synchrotronuSynchrotron – cyklický urychlovač, který k zakřivování dráhy částic používá proměnné magnetické pole vhodně synchronizované s urychlujícím elektrickým polem. Je dalším vývojovým stupněm cyklotronu, jenž pracuje jen s konstantním magnetickým polem. SPring-8 v Japonsku. Energie dopadajících fotonů byla 5 keVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. (vlnová délka 0,25 nm). Částice viru byly nejprve umrtveny methanolem a poté umístěny na 30 nm tenkou membránu z nitridu křemíku. Jako senzor posloužila dusíkem chlazená CCDCCD – Charge Coupled Device, zařízení s nábojovou vazbou, umožňuje převést paralelní analogový signál (elektrický náboj kumulovaný v potenciálových jámách) na sériový signál, daný časovou posloupností proudových pulzů úměrných kumulovanému náboji. Při serializaci paralelní informace CCD funguje jako posuvný registr, který umožňuje postupné posouvání náboje změnou potenciálového profilu řízenou hodinovým signálem. (Přesun náboje si lze přestavit podobně jako řetěz lidí předávajících si při požáru na povel různě naplněná vědra s vodou. S každým povelem se konkrétní vědro posune o krok blíže k požáru. Časový průběh proudu vody vylitého do ohně odráží prostorové rozložení objemů vody ve vědrech.) Potenciálové jámy mohou být umístěny vedle sebe pouze v jediné řadě (lineární CCD) nebo ve více řadách (plošné CCD). Nejznámějšími CCD jsou fotoelektrické snímače, kdy se rozložení náboje vytváří vnitřním fotoefektem. Mohou však sloužit i jako paměťové prvky (například jako odkládací paměť pro výše zmíněné fotoelektrické snímače). V zobrazovacích zařízeních jsou nejmenší rozměry jednoho CCD pixelu 9×9 mikrometrů a plošné senzory jsou tvořeny maticí velkou až 5120×5120 pixelů. Chlazené CCD senzory pracují se šumem odpovídajícím 4 až 7 elektronům. (Údaje z roku 2008.) kamera. Snímky byly zpracovány pomocí algoritmu GHIO (Guided Hybrid Input Output). Jedná se o iterační metodu. Difrakční obrazec lze interpretovat jako Fourierův obrazFourierova transformace – integrální transformace, která skládá neperiodický signál ze sinů a kosinů (resp. kmitavých komplexních exponenciál), v případě prostoročasu z rovinných vln. Původní signál (vzor) je integrálem všech parciálních signálů (obrazů). Transformace probíhá buď mezi časovou a frekvenční oblastí, nebo mezi prostoročasem a k-prostorem daným vlnovým čtyřvektorem. skutečného snímku původního vzorku. Pro získání skutečného obrazu již stačí jen provést inverzní Fourierovu transformaci. Není to ale tak jednoduché. CCD kamera nám poskytne totiž pouze informace o amplitudě (tj. počtu zaznamenaných fotonůFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. v jednom pixelu), nikoliv o fázi, která je nezbytná pro získání správného výsledku pomocí inverzní Fourierovy transformace. Prvním krokem GHIO algoritmu je náhodné vygenerování fází. Dalším krokem je mnohonásobné provedení dopředné a zpětné Fourierovy transformace, v jejímž průběhu se postupně snižuje k nule záporná reálná nebo imaginární část signálu. Tímto způsobem lze odstranit signál způsobený vlivem podpůrné membrány (jedná se vlastně o odečtení pozadí).

Experimetální uspořádání

Uspořádání experimentu. Svazek koherentního rentgenového záření dopadá na vzorek,
jehož difrakční obrazec detekuje CCD kamera [1].

Na obrázku a) je difrakční obrazec, který zachytil CCD senzor. Obrázek b) ukazuje výsledný snímek po zpracování obrázku a) pomocí GHIO algoritmu. Zbývající obrázky ukazují srovnání se snímky pořízenými pomocí skenovacího elektronového mikroskopuElektronový mikroskop – mikroskop, který k zobrazení předmětů využívá vlnových vlastností svazku elektronů. Elektron se chová podobně jako světlo, jeho vlnová délka je ale výrazně kratší a tak je možné sledovat menší předměty než za pomoci světla. Elektronový mikroskop byl vynalezen v roce 1931 Ernstem Ruskou. (Obr. c) a transmisivního elektronového mikroskopuTEM – transmisní elektronová mikroskopie, vytváření obrazu tenkého předmětu (cca do 100 nm tloušťky) průchodem energetických elektronů. Obraz tvořený prošlými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Pokud je vzorek touto technikou skenován, hovoříme o skenovací transmisní elektronové mikroskopii (STEM). Jinou technikou je SEM, při které se obraz vytváří z odražených elektronů. (Obr. d) [1].

Zrekonstruovaný snímek znázorňující elektronovou hustotu viru (Obr. a). Snímek pořízený mikroskopem atomárních silAFM – Atomic Force Microscope, mikroskop atomárních sil, zařízení skenující povrch materiálu pomocí hrotu zavěšeného na pružném výkyvném raménku. Hrot je přitahován k povrchu elektrostatickými a van der Waalsovými silami. Sledování pohybu raménka (zpravidla laserem) umožní rekonstruovat třírozměrný obraz povrchu studovaného materiálu. Mikroskop je tak citlivý, že může sledovat jednotlivé atomy. AFM mikroskop byl vynalezen v roce 1986 Gerdem Binningem, Calvinem Quatem a Christophem Gerberem. (Obr. b) [1].

Pro získání kvalitnějších snímků je třeba velmi krátkého a intenzivního pulzu vysoce koherentního rentgenového záření, které zatím neumíme vyrobit. Nyní je však již ve vývoji nový rentgenový laser XFELXFEL – označení pro velký laser na volných elektronech (Free Electron Laser). Největším zařízením tohoto druhu je Evropský XFEL (European XFEL) – rentgenový laser, jehož stavba započala v roce 2008 a zprovozněn byl v roce 2017. Nachází se v blízkosti německého Hamburku a má délku 3,4 km. Elektrony jsou nejprve urychleny v lineárním urychlovači pomocí soustavy rezonančních dutin. Poté shluky elektronů s vysokou energií přicházejí do undulátoru – speciální magnetické struktury, ve které se periodicky střídá orientace magnetického pole. Elektrony se pohybují po vlnovité dráze a přitom vyzařují synchrotronové záření v rentgenovém oboru. Emitované rentgenové paprsky vytvářejí extrémně intenzívní laserový záblesk koherentního a monochromatického záření., kde by mělo být dosaženo požadované kvality záření. Zde však nastává problém s radiačním poškozením vzorku. Detektor bude muset stihnout zaznamenat data dříve, než se vzorek vypaří. Částečným řešením může být podchlazení vzorku. V každém případě by záření z XFEL mělo být dostatečně kvalitní pro získání obrázků na úrovni rozměru makromolekul, buněčných struktur nebo proteinů.

Klip týdne: Rentgenová difrakce na synchrotronu Diamond

Rentgenová difrakce na synchrotronu Diamond. Synchrotron Diamond je umístěn v Anglii. Elektrony nejprve procházejí třicetimetrovým lineárním urychlovačem, poté jsou urychleny v boosteru o obvodu 158 metrů a nakonec přivedeny do úložného prstence o obvodu 562 metrů. Zde elektrony procházejí speciální konfigurací střídajících se magnetických polí (undulátorem), které je vychyluje sem a tam a způsobí jejich vlnovitou trajektorii. Při tomto pohybu elektrony intenzivně září v rentgenovém oboru a vzniklý svazek se využívá k experimentům. V animaci vidíte urychlení chomáče elektronů, vznik rentgenového svazku, jeho vedení rentgenovou optikou a následnou difrakci na zkoumaném objektu. Zdroj: Diamond facility, 2007. (wmv, 15 MB)

Odkazy