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Ein neuer Ansatz wird helfen, Röntgenuntersuchungen aus fehlgeschlagenen Ergebnissen zu retten

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Bildnachweis: IKBFU

Röntgenstrahlen werden häufig verwendet, um die Strukturen verschiedener Körper zu untersuchen. Weltweit werden neue Röntgenquellen wie Freie-Elektronen-Laser und Synchrotrons der vierten Generation gebaut. Die besten Optiken für neue Quellen bestehen normalerweise aus einkristallinen Materialien wie Silizium, Germanium oder Diamant. Die perfekte Periodizität der Kristalle führt jedoch zu einigen unerwünschten Beugungsverlusten – Störungen in den Röntgenstrahlen. Dieser Effekt bewirkt eine Verringerung der Intensität der durch das optische Element übertragenen Strahlung bis auf Null. Wissenschaftler der Baltischen Föderalen Universität Immanuel Kant haben zusammen mit ihren ausländischen Kollegen eine Methode entwickelt, die es erlaubt, nicht nur das Auftreten von Schwachstellen vorherzusagen, sondern sogar deren Auswirkungen auf Experimente auszuschließen.

Die Struktur eines Stoffes bestimmt seine Eigenschaften. Die Bedeutung der Materialwissenschaften muss daher nicht bestritten werden. Die derzeit effektivsten, zerstörungsfreien und am weitesten entwickelten Röntgenverfahren sind Röntgenverfahren, die auf der Wechselwirkung der entsprechenden Strahlung mit einer Substanz beruhen. Seine neuen Quellen (4+ Generationen) erzeugen Röntgenstrahlen von extrem hoher Helligkeit und einer gewissen räumlichen Kohärenz. Um diese Strahlen in vollem Umfang nutzen zu können, sind neue Optiken erforderlich, die in der Lage sind, Strahlung ohne nennenswerte Verzerrungen und Verluste vollständig zu modulieren, zu fokussieren und zu übertragen. Nicht jedes Material ist geeignet – die Merkmale seiner atomaren Struktur und das Vorhandensein jeglicher Heterogenität in Oberfläche und Volumen können das Ergebnis erheblich beeinflussen.

Lange wurde angenommen, dass monokristalliner Diamant ein idealer Kandidat für das Material zur Herstellung von Röntgenoptiken ist: Er ist mechanisch und thermisch stabil, absorbiert Strahlung schlecht, weist wenige Einschlüsse und eine geeignete Kristallstruktur auf. Dies bedeutet, dass es sich um ein amorphes Röntgenmaterial handelt, das eine Streuung der Mikrostruktur des Strahls verhindert. So wird Strahlung von Wissenschaftlern ohne Verluste verwendet, und darauf basierende Optiken haben eine erhöhte Genauigkeit und Empfindlichkeit. Die Arbeit mit einem einkristallinen Diamanten hat jedoch ein Problem – die Auswirkung von Beugungsverlusten oder Störimpulsen in Röntgenstrahlen. Sie werden daher als “Einbrüche” in der Intensität der durch das optische Element tretenden Strahlung bezeichnet. Dies geschieht, wenn ein Röntgenstrahl durch das optische Element hindurchtritt, dann wird für einige Wellenlängen ein Zustand erreicht (der sogenannte Wolfe-Bragg-Zustand), dann wird ein Teil der übertragenen Strahlung in eine unerwünschte Richtung abgelenkt. Diese Bedingung kann häufig erfüllt werden, insbesondere bei “harter” (kleinwelliger) Strahlung.

Die Lücken können für Forscher in Experimenten unangenehm sein, bei denen sich die Wellenlänge der einfallenden Strahlung während der Messungen ändert. Somit können für verschiedene Wellenlängen Sprungintensitäten auftreten. Schlimmer noch, bei einer festen Wellenlänge könnte man versehentlich auf den Defekt stoßen und das gesamte Experiment entweder mit niedrigerer oder “schwebender” Intensität durchführen. Entsprechend muss dieser Effekt bei jeder Forschung berücksichtigt werden.

“Die Auswirkung des Defekts ist in der Spektroskopie seit langem bekannt und bereitet den Forschern einige Unannehmlichkeiten. In einigen Fällen versuchen sie, ihn zu ignorieren. Andernfalls ist es einfacher, den beschädigten Teil der erhaltenen Daten zu ignorieren. Aber Pannen” In jedem Experiment: Bei kleinen Änderungen der Strahlungsintensität ist es möglich, die negativen Auswirkungen durch Normierung der Transmissionsintensität auf den einfallenden Zustand zu kompensieren, bei einer sehr geringen Intensität kann das untersuchte Signal einfach im Rauschen „versinken“, sagt Natalia Klimova, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Internationalen Forschungs- und Wissenschaftszentrum IKBFU „Kohärente Röntgenoptik für Megawissenschaftliche Einrichtungen“.

Wissenschaftler der IKBFU und Kollegen vom Center for Free Electron Laser Science (CFEL) und der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) haben eine Methode zur genauen Simulation und Fehlervorhersage sowie deren Beseitigung entwickelt. Es kann auf alle Einkristallmaterialien angewendet werden. Der vorgeschlagene Ansatz erfordert keine komplexen Berechnungen und kann daher während der Forschung durchgeführt werden. Vor Beginn des Experiments ist nur eine Messung des durch das optische Element transmittierten Strahlungsspektrums erforderlich. Basierend auf den erhaltenen Daten ist es mit der entwickelten Software möglich, die genaue Ausrichtung der Linse (oder anderer optischer Elemente) zu bestimmen und dann zu berechnen, wo die Glitches im Spektrum auftreten können. Darüber hinaus ermöglicht der vorgeschlagene Algorithmus die Unterdrückung spezifischer Störimpulse im Strahlungsspektrum. Die Autoren bestätigten ihre theoretischen Berechnungen im Verlauf der Experimente. Die entwickelte Software ist öffentlich verfügbar und auf jede Röntgenquelle anwendbar.

“Die Ergebnisse in diesem Artikel untersuchen nicht nur den zuvor entdeckten Effekt von Beugungsverlusten in Einkristall-Röntgenoptiken weiter, sondern stellen einen zuverlässigen Weg dar, um unter experimentellen Bedingungen damit umzugehen. Sie werden die Brechungseffizienz von Einkristalloptiken erhöhen.” und lassen Sie uns die Arbeit in den Strahlführungen für Synchrotronstrahlungsquellen der vierten Generation verfeinern“, sagt Anatoly Snegirev, Direktor des IKBFU International Center for Science and Research „Coherent X-ray Optics for Megascience Facilities“.

Wissenschaftler arbeiten weiter an diesem Thema und planen weitere Anwendungen für die in modernen Röntgenquellen nachgewiesenen Effekte. Entsprechende Artikel werden in Kürze veröffentlicht.

“Dieser Artikel ist nur der Anfang. Wir haben wieder einmal darauf geachtet, dass die richtige Datenverarbeitung nicht nur notwendig, sondern auch lohnend ist. Mit dem richtigen physikalischen Modell konnten wir die experimentellen Daten vollständig erklären und auf den ersten Blick auch hervorragende Anwendungen bieten.” Daher werden wir in Kürze weitere interessante Artikel zu diesem Thema veröffentlichen!“ sagt Oleksandr Yevanov, Senior Researcher am Deutschen Forschungszentrum für Freie-Elektronen-Laserwissenschaften, DESY, Hamburg.

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