اروپا نخستین طیف‌سنج فوق‌حساس TES را راه‌اندازی کرد

اروپا با راه‌اندازی نخستین طیف‌سنج Transition Edge Sensor (TES) در یک منبع نور سینکروترونی گام مهمی در توسعه فناوری‌های پیشرفته طیف‌سنجی پرتو ایکس برداشت. این سامانه که در مرکز BESSY II آلمان به بهره‌برداری رسیده قادر است فوتون‌های پرتو ایکس را با حساسیتی بین ۱۰۰ تا هزار برابر بیشتر از طیف‌سنج‌های متداول آشکارسازی کند؛ پیشرفتی که انجام بسیاری از آزمایش‌هایی را که تاکنون از نظر فنی امکان‌پذیر نبود، ممکن خواهد ساخت.

به گزارش ساینس دیلی، این ابزار حاصل همکاری مشترک مرکز هلمهولتز برلین (HZB)، موسسه ماکس پلانک برای تبدیل انرژی شیمیایی (MPI-CEC) در آلمان و مؤسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST) است و اکنون از پژوهشگران سراسر جهان دعوت شده است تا پیشنهاد‌های تحقیقاتی خود را برای استفاده از این قابلیت جدید ارائه کنند.

افزایش چشمگیر توان طیف‌سنجی پرتو ایکس

منابع نور سینکروترونی مانند BESSY II پرتو‌های ایکس بسیار درخشانی تولید می‌کنند که برای بررسی ساختار و خواص مواد مختلف به کار می‌روند. از مهم‌ترین روش‌های مورد استفاده در این مراکز می‌توان به طیف‌سنجی نشر پرتو ایکس (XES) و پراکندگی غیرکشسان تشدیدی پرتو ایکس (RIXS) اشاره کرد.

در این روش‌ها پژوهشگران فوتون‌های پرتو ایکسی را که پس از تابش به نمونه از آن گسیل می‌شوند، تحلیل می‌کنند تا اطلاعات دقیقی درباره ساختار الکترونی ماده به دست آورند. اما تاکنون این فناوری‌ها به دلیل نیاز به تعداد زیادی فوتون عمدتا برای نمونه‌های حجیم یا موادی با غلظت بالا قابل استفاده بودند.

حساسیتی تا هزار برابر بیشتر

به گفته رژیس دکر (Régis Decker)، پژوهشگر مسئول این پروژه در HZB آرایه آشکارساز ابررسانای TES نصب‌شده در BESSY II توانایی آشکارسازی فوتون‌ها را بین ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ برابر نسبت به طیف‌سنج‌های رایج XES و RIXS افزایش داده است.

این جهش عملکردی به دانشمندان اجازه می‌دهد نمونه‌هایی را بررسی کنند که پیش از این به دلیل اندازه بسیار کوچک یا غلظت بسیار پایین عملا قابل مطالعه نبودند.

بررسی مواد کوانتومی، نانوساختار‌ها و سامانه‌های زیستی

به گفته دکر این فناوری جدید طیف گسترده‌ای از حوزه‌های علمی را تحت تاثیر قرار خواهد داد. وی توضیح داد این سامانه می‌تواند اطلاعات ارزشمندی درباره شیمی مولکولی، زیست‌شناسی مولکولی و همچنین خواص کوانتومی سامانه‌هایی با ابعاد بسیار کوچک مانند تک‌لایه‌های اتمی، نانوساختار‌ها و ناخالصی‌های اتمی ارائه دهد.
این طیف‌سنج همچنین مکمل روش‌هایی مانند ARPES خواهد بود که برای بررسی ساختار نوار‌های الکترونی مواد مورد استفاده قرار می‌گیرد و در کنار آن تصویر کامل‌تری از رفتار الکترون‌ها در مواد پیشرفته ارائه خواهد کرد.

کاهش چشمگیر زمان انجام آزمایش‌ها

افزایش حساسیت این سامانه تنها به امکان مطالعه نمونه‌های دشوار محدود نمی‌شود. بسیاری از آزمایش‌هایی که پیش‌تر چندین ساعت زمان نیاز داشتند اکنون در برخی موارد تنها طی چند دقیقه قابل انجام هستند؛ موضوعی که می‌تواند بهره‌وری مراکز تحقیقاتی را به شکل قابل توجهی افزایش دهد.

طیف‌سنج TES چگونه کار می‌کند؟

هسته اصلی این دستگاه از ۲۴۸ حسگر ابررسانا تشکیل شده که در دمای فوق‌العاده پایین ۲۵ میلی‌کلوین (تنها چند صدم درجه بالاتر از صفر مطلق) فعالیت می‌کنند.

برای دستیابی به چنین دمایی از یک یخچال رقیق‌سازی هلیوم-۴/هلیوم-۳ استفاده شده است؛ فناوری‌ای که مشابه سامانه‌های سرمایشی رایانه‌های کوانتومی است.

هنگامی که پرتو ایکس به نمونه برخورد می‌کند ماده فوتون‌هایی از خود گسیل می‌کند. هر فوتون توسط یکی از حسگر‌های ابررسانا جذب شده و افزایش بسیار ناچیزی در دمای آن ایجاد می‌کند. همین افزایش دما موجب خروج موقت حسگر از حالت ابررسانایی و افزایش مقاومت الکتریکی آن می‌شود.

این تغییر بسیار کوچک توسط مدار‌های فوق‌العاده حساس مبتنی بر SQUID (دستگاه تداخل کوانتومی ابررسانا) اندازه‌گیری می‌شود و از طریق آن انرژی هر فوتون با دقت بسیار بالا تعیین خواهد شد.

امکانات پیشرفته برای آماده‌سازی نمونه‌ها

این طیف‌سنج به یک محفظه خلا فوق‌العاده بالا مجهز شده است که امکان انتقال، آماده‌سازی و بررسی نمونه‌ها را بدون آلودگی فراهم می‌کند. پژوهشگران می‌توانند دمای نمونه‌ها را از ۱۰ کلوین تا دمای اتاق به‌طور دقیق کنترل کنند. همچنین این سامانه در خط پرتو UE۵۲-SGM در BESSY II نصب شده که قابلیت کنترل کامل قطبش پرتو ایکس را در اختیار محققان قرار می‌دهد.

برنامه‌ریزی شده است در آینده امکانات بیشتری نیز به این سامانه از جمله تجهیزات پیشرفته‌تر آماده‌سازی نمونه و امکان انجام آزمایش‌ها در میدان‌های مغناطیسی برای مطالعات دیکرویسم دایره‌ای مغناطیسی پرتو ایکس (XMCD) و RIXS-MCD افزوده شود.

تنها طیف‌سنج TES سینکروترونی اروپا

فناوری آشکارساز‌های TES در ابتدا برای ماموریت‌های اخترفیزیکی و آشکارسازی سیگنال‌های بسیار ضعیف از اجرام دوردست توسعه یافته بود.

پیش از نصب این سامانه در BESSY II تنها پنج طیف‌سنج TES در مراکز پرتو ایکس جهان فعالیت می‌کردند که چهار دستگاه در ایالات متحده و یک دستگاه در ژاپن قرار داشت. با بهره‌برداری از این پروژه BESSY II اکنون میزبان تنها طیف‌سنج TES سینکروترونی اروپا است.

رژیـس دکر در پایان ابراز امیدواری کرد که جامعه پژوهشی از این فرصت جدید برای انجام پروژه‌های علمی نوآورانه بهره بگیرد و پیشنهاد‌های تحقیقاتی متعددی برای استفاده از این زیرساخت پیشرفته ارائه شود.

انتهای پیام/