Ano ang Advanced na Photon Source? Paano Ginagawa ang Ultra-Bright X-Ray Beam

It's 4 a.m., at ako ay umakyat ng halos 20 oras. Ang isang malakas na alarma ay namamaga, sinamahan ng mga pulang ilaw ng strobe na kumikislap. Ang isang malakas na boses ay nagpahayag, "Paghahanap ng istasyon B. Lumabas kaagad." Nararamdaman nito ang isang emergency, ngunit hindi. Sa katunayan, ang alarma ay nawala na ng 60 o 70 beses ngayon. Ito ay isang babala, na nagpapaalam sa lahat ng tao sa paligid na alam kong malapit na ang isang high-powered X-ray beam sa isang maliit na silid na puno ng mga elektronikong kagamitan at mga plume ng vaporizing liquid nitrogen.

Sa gitna ng kuwartong ito, na tinatawag na istasyon B, inilagay ko ang isang kristal na hindi mas makapal kaysa sa isang buhok ng tao sa dulo ng isang maliit na glass fiber. Naghanda ako ng dose-dosenang mga kristal na ito, at sinusubukan kong pag-aralan ang lahat ng ito.

Ang mga kristal na ito ay gawa sa mga organikong materyales na semiconducting, na ginagamit upang gumawa ng mga chips ng computer, mga ilaw ng LED, mga screen ng smartphone, at solar panel. Gusto kong malaman kung saan matatagpuan ang bawat atom sa loob ng mga kristal, kung gaano sila napapakinabangan, at kung paano sila nakikipag-ugnayan sa isa't isa. Ang impormasyong ito ay tutulong sa akin na mahulaan kung gaano kahusay ang daloy ng kuryente sa pamamagitan ng mga ito.

Upang makita ang mga atomo na ito at matukoy ang kanilang istraktura, kailangan ko ang tulong ng isang synchrotron, na isang napakalaking instrumentong pang-agham na naglalaman ng isang kilometro na haba ng mga electron na nag-zoom sa paligid malapit sa bilis ng liwanag. Kailangan ko rin ng isang mikroskopyo, isang dyayroskop, likido nitroheno, isang maliit na suwerte, isang kasamahang kasamahan, at isang tricycle.

Pagkuha ng Crystal sa Lugar

Ang unang hakbang ng eksperimentong ito ay nagsasangkot ng paglalagay ng mga napakaliit na kristal sa dulo ng glass fiber. Gumagamit ako ng isang karayom ​​upang mag-scrape ng isang tumpok ng mga ito magkasama sa isang slide slide at ilagay ang mga ito sa ilalim ng isang mikroskopyo. Ang mga kristal ay maganda - makulay at nakagagaling na tulad ng maliliit na gemstones. Madalas kong makita ang aking sarili, na nakatingin sa mga mata na natutulog na natutulog sa mikroskopyo, at muling iniisip ang aking pananaw bago maingat na umuusig ang isa papunta sa dulo ng isang glass fiber.

Sa sandaling nakakuha ako ng kristal na naka-attach sa hibla, sinisimulan ko ang madalas na nakakadismaya na gawain ng pagsentro sa kristal sa dulo ng isang gyroscope sa loob ng istasyon B. Ang aparatong ito ay paikutin ang kristal sa paligid, dahan-dahan at patuloy, na nagpapahintulot sa akin na makakuha ng X- ray mga imahe nito mula sa lahat ng panig.

Bilang spins, likido nitrogen singaw ay ginagamit upang palamig ito: Kahit sa temperatura ng kuwarto, ang mga atomo ay gumagalaw pabalik-balik, na ginagawang mahirap upang makakuha ng malinaw na mga larawan ng mga ito. Ang paglamig ng kristal sa minus 196 degrees Celsius, ang temperatura ng likido nitrogen, ay nagpapahinto ng mga atoms na gumagalaw nang labis.

X-ray Photography

Sa sandaling mayroon akong kristal na nakasentro at pinalalamig, isinasara ko ang istasyon B, at mula sa hub ng kontrol ng computer sa labas nito, sinabugan ang sample na may X-ray. Ang nagresultang imahe, na tinatawag na pattern ng pagdidiprakt, ay ipinapakita bilang maliwanag na mga spot sa isang kulay kahel na background.

Ang ginagawa ko ay hindi gaanong naiiba sa pagkuha ng mga litrato na may camera at flash. Ako ay magpapadala ng mga light rays sa isang bagay at itala kung paano lumalabas ang ilaw. Ngunit hindi ko magamit ang nakikitang liwanag upang makunan ang mga atomo - masyadong maliit ang mga ito, at ang mga wavelength ng liwanag sa nakikitang bahagi ng spectrum ay masyadong malaki. Ang mga X-ray ay may mas maikling wavelength, kaya sila ay mag-iiba, o mag-bounce off atom.

Gayunpaman, hindi katulad ng isang kamera, ang diffracted X-ray ay hindi nakatuon sa isang simpleng lens. Sa halip na isang larawan na tulad ng litrato, ang data na kinokolekta ko ay isang hindi naka-focus na pattern ng kung saan ang X-ray ay pumasok pagkatapos nilang mabawi ang mga atom sa aking kristal. Ang isang kumpletong hanay ng data tungkol sa isang kristal ay binubuo ng mga larawang ito na kinuha mula sa bawat anggulo sa palibot ng kristal habang ang dyayroskop ay nag-iikot dito.

Advanced Math

Ang aking kasamahan, si Nicholas DeWeerd, ay umupo sa malapit, pag-aaral ng mga hanay ng data na ko na nakolekta.Napagpasiyahan niya na huwag pansinin ang mga nakakagambala na mga alarma at kumikislap na mga ilaw para sa mga oras, na nakapako sa mga imahe ng pagdidiprakt sa kanyang screen upang, sa diwa, i-on ang mga imahe ng X-ray mula sa lahat ng panig ng kristal sa isang larawan ng mga atom sa loob mismo ng kristal.

Sa mga nakaraang taon, ang prosesong ito ay maaaring tumagal ng maraming maingat na kalkulasyon sa pamamagitan ng kamay, ngunit ngayon ay gumagamit siya ng computer modeling upang ilagay ang lahat ng mga piraso magkasama. Siya ang aming hindi opisyal na eksperto sa pananaliksik na grupo sa bahaging ito ng palaisipan, at iniibig niya ito. "Ito ay tulad ng Pasko!" Naririnig ko siya sa pag-uusap, habang dumudulas siya sa mga larawan ng mga pattern ng diffraction.

Ngumiti ako sa sigasig na pinamamahalaang niyang panatilihing huli sa gabi, habang pinaputok ko ang synchotron upang makuha ang aking mga larawan ng kristal na nakapatong sa istasyon B. Pinanghahawak ko ang aking hininga bilang mga pattern ng pagdidiprakt mula sa unang ilang mga anggulo na pop up sa screen. Hindi lahat ng mga kristal ay sumasabog, kahit na itinakda ko nang buo ang lahat. Madalas na dahil ang bawat kristal ay binubuo ng maraming mga mas maliit na kristal na natigil, o mga kristal na naglalaman ng napakaraming mga impurities upang bumuo ng isang paulit-ulit na kristal na pattern na maaari naming mathematically malutas.

Kung ang isang ito ay hindi naghahatid ng mga malinaw na imahe, kailangan kong magsimula at mag-set up ng isa pa. Sa kabutihang-palad, sa kasong ito, ang mga unang ilang mga larawan na nagpa-pop up ay nagpapakita ng maliwanag, malinaw na mga diffraction spot. Ngumiti ako at umupo upang kolektahin ang natitirang bahagi ng hanay ng data. Ngayon habang ang mga whirls at ang X-ray beam ay nagsabog ng sample, mayroon akong ilang minuto upang makapagpahinga.

Gusto kong uminom ng ilang kape upang manatiling alerto, ngunit ang aking mga kamay ay nanginginig mula sa sobrang kapeina. Sa halip, tumawag ako kay Nick: "Gonna ako ay kukuha ng isang lap." Lumalakad ako sa isang grupo ng mga tricycle na nakaupo sa malapit. Karaniwan na ginagamit lamang upang makakuha ng paligid ng malaking gusali na naglalaman ng synchrotron, nakita ko ang mga ito pantay kapaki-pakinabang para sa isang desperado pagtatangka upang gisingin sa ilang mga ehersisyo.

Bilang pagsakay ko, iniisip ko ang kristal na naka-mount sa gyroscope. Ginugol ko na ang mga buwan sa pagsasama nito, at sa lalong madaling panahon ay magkakaroon ako ng isang larawan nito. Gamit ang larawan, makakakuha ako ng pag-unawa kung ang mga pagbabago na ginawa ko sa mga ito, na kung saan ito ay bahagyang naiiba kaysa sa iba pang mga materyal na ginawa ko sa nakaraan, ay pinabuting ito sa lahat. Kung nakikita ko ang katibayan ng mas mahusay na pag-iimpake o pinataas na intermolecular na pakikipag-ugnayan, na maaaring mangahulugang ang molekula ay isang mahusay na kandidato para sa pagsubok sa mga elektronikong aparato.

Naubos, ngunit masaya dahil nakakolekta ako ng kapaki-pakinabang na data, unti-unti akong naglalakad sa paligid ng loop, sinabing ang synchrotron ay nasa mataas na demand. Kapag ang beamline ay tumatakbo, ginagamit ito 24/7, na kung saan ay kung bakit ako nagtatrabaho sa pamamagitan ng gabi. Ako ay masuwerteng nakakakuha ng isang oras na puwang sa lahat. Sa iba pang mga istasyon, ang iba pang mga mananaliksik na katulad ko ay nagtatrabaho nang huli sa gabi.

Ang artikulong ito ay orihinal na na-publish sa The Conversation ni Kerry Rippy. Basahin ang orihinal na artikulo dito.