Starptautiska pētnieku komanda izstrādājusi jaunu mīkstā rentgena metodi, kas var padarīt sarežģītus rentgena eksperimentus ātrākus un vienkāršākus. Sistēma ar vienu optisku elementu apvieno attēlveidošanu un materiāla ķīmisko īpašību analīzi.

Pētījumā apļveida paraugi tika attēloti aptuveni 27 reizes ātrāk nekā ar tradicionālo skenēšanu pa atsevišķiem punktiem, vienlaikus aptuveni 220 sekundēs iegūstot pilnu spektroskopijas datu kopumu.

Viens elements vairāku vietā

Pētnieki izmantoja atstarojošu zonu plāksni jeb RZP (reflection zone plate) — precīzi nanostrukturētu optisku elementu, kas vienlaikus atstaro, fokusē un nošķir mīkstos rentgenstarus.

Eksperimentus veica Vācijas, Šveices un Japānas zinātnieki P04 staru kūļa līnijā PETRA III sinhrotrona starojuma avotā DESY centrā Hamburgā.

Parastā rentgena attēlveidošana parāda parauga iezīmju formu un atrašanās vietu, savukārt spektroskopija sniedz informāciju par ķīmisko sastāvu, elektronisko struktūru un molekulārajām saitēm. Abu paņēmienu apvienošanai parasti vajadzīgi vairāki optiskie elementi, kas rūpīgi jāsaskaņo. Jaunajā sistēmā visas šīs funkcijas veic viena kompakta RZP.

Lai pārbaudītu attēlu kvalitāti, pētnieki vispirms analizēja standartizētus testu rakstus ar Siemens zvaigznēm — zvaigžņveida mērķiem, ko izmanto attēla asuma noteikšanai — un burtiem “RIXS”.

Tā vietā, lai skenētu vienu mazu punktu pēc otra, komanda paraugu izgaismoja ar šauru rentgena līniju. Pēc tam paraugu nelielos soļos pārvietoja pāri staram, līdzīgi kā dokumentu skenerī. Dators atsevišķās attēla joslas apvienoja pilnā divdimensiju attēlā.

Metode ļāva izšķirt aptuveni 14–24 mikrometru (μm) lielas iezīmes — tās ir vairākas reizes mazākas par cilvēka mata platumu. Tā kā tika skenēta visa līnija, nevis atsevišķi punkti, apļveida objekti tika attēloti aptuveni 27 reizes ātrāk, saglabājot salīdzināmu attēla kvalitāti.

Kā novērsta optiskā problēma

Pētnieki norādīja, ka sasniegums ir nozīmīgs, jo iepriekš šāda attēlveidošana tika uzskatīta par nepraktisku Abes sinusa nosacījuma dēļ. Šis optikas princips noteiktos apstākļos paredz attēla kropļojumus.

Problēmu izdevās pārvarēt, RZP darbinot paraaksiālajā režīmā, kurā tā uztver tikai šaurā leņķa diapazonā plūstošus rentgenstarus. Tas samazināja optiskos kropļojumus un ļāva iegūt asus lielāku objektu attēlus.

“RZP spēcīgā dispersija ļauj vienlaikus izmērīt vairākas spektroskopiskas iezīmes. Svarīgi, ka vienā un tajā pašā optiskajā konfigurācijā var reģistrēt gan elastīgos, gan neelastīgos signālus,” sacīja Dr. Christoph Braig.

Ķīmiskās īpašības vienā mērījumā

Pēc attēlveidošanas pārbaudes testa rakstu aizstāja plāna acetonitrila strūkla etanolā, lai demonstrētu ķīmisko analīzi. Tā vietā, lai paraugu izgaismotu ar vienu rentgena enerģiju, pētnieki izmantoja staru kūli ar daudzām enerģijām vienlaikus — tā dēvēto rentgena “varavīksni”.

RZP vienlaikus izmērīja ienākošo un izejošo rentgenstaru enerģiju, ļaujot iegūt pilnu divdimensiju rezonanses neelastīgās rentgenstaru izkliedes jeb RIXS karti, nemainot eksperimentālo sistēmu. Tika reģistrēti izstarotie rentgenstari diapazonā no 388,6 līdz 401,8 elektronvoltiem (eV), izšķirot elastīgās, neelastīgās un vibrāciju iezīmes pie slāpekļa K malas. Viss datu kopums tika savākts aptuveni 220 sekundēs, kas ir ievērojami ātrāk par standarta metodēm.

“Mūsu eksperimenti parāda, ka RZP var nodrošināt gan telpisku, gan spektroskopisku informāciju, izmantojot kompaktu optisko izkārtojumu. Tas varētu padarīt sarežģītus mīkstā rentgena mērījumus efektīvākus un vieglāk īstenojamus,” sacīja Jens Rehanek.

Pētījuma pēdējais un korespondējošais autors Zhong Yin no Tohoku Universitātes Sinhrotronā starojuma instrumentācijas zinātnes laboratorijas norādīja, ka atstarošanas, fokusēšanas, attēlveidošanas un spektrālās dispersijas apvienošana vienā optiskā elementā piedāvā kompaktu un efektīvu ceļu uz mīkstā rentgena spektromikroskopiju. Viņaprāt, tas var pavērt jaunas iespējas materiālu pētīšanai atomu mērogā.

Pētījuma rezultāti publicēti žurnālā Optics Express.