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“极其出色的” X射线束即将彻底改变我们的观察方式

X射线 同步加速器 3D扫描
发布:2020-09-25 10:38:30    

法国格勒诺布尔的欧洲同步加速器辐射设施。(来源:Candé/ ESRF)

现在,一种产生强大的X射线束的新方法(地球上最亮的X射线)现在可以以惊人的分辨率创建物质的3D图像。这个“极其出色的来源”上个月在法国的欧洲同步加速器辐射设施上正式开放,科学家已经在使用它来研究covid-19背后的冠状病毒。这些X射线束将对化石,大脑,电池和无数其他有趣的物体的内部进行成像,直至原子尺度,从而揭示出空前的信息并推动科学研究的发展。

像您要弄断骨头一样,典型的医用X射线可以向医生显示有关您的特定骨折及其周围组织的详细信息。X射线会穿透人体,并被不同的组织以不同的速率吸收;一旦通过您,他们便击中了探测器,并创建了熟悉的黑白X射线图像。极其出色的光源产生的X射线比医院使用的X射线强10万亿倍。有了这样的光束,科学家们就可以创建骨折骨头的3D图像,如此详尽,以至于他们可以看到骨折周围血细胞中的各个原子。当然,您不希望被这种特殊的光束击中-辐射的剂量将是致命的。

ESRF总干事Francesco Sette特别激动的一个领域是对大脑的结构和功能的研究,这最终可能会启用类似于大脑的电子设备。他说:“这将是一次重大的革命,不仅对于神经科学,而且对于所有可能将人脑架构用于新一代设备的应用程序来说都是如此。”

使用同步加速器X射线成像,工程师可以深入了解创新材料,帮助航空和纳米电子等领域。古生物学家可以研究化石的微小内部结构,而无需破坏其样本。今年夏天,第一批能够访问“极度辉煌的资源”的研究人员使用它对死于covid-19的人们的整个肺部进行了成像,并且他们能够在微观水平上识别出以前看不见的病毒造成的损害。

同步加速器只是一个粒子加速器,它使用磁场将带电的电子加速到如此高的能量,以至于它们发射X射线光(也称为同步加速器光)。(例如,与大型强子对撞机不同,在同步加速器回路上滑动的粒子不会相互碰撞。)由快速循环的电子产生的X射线从加速器环中虹吸出来,进入44实验室,称为束线。研究人员然后使用这些光束对目标成像。在最近几十年中,基于同步加速器的科学取得了各种突破,包括最近使研究人员能够看到未孵化的恐龙蛋内部并阅读被火山摧毁的古籍。

自1994年以来,法国格勒诺布尔的欧洲同步加速器辐射设施一直在运行。其X射线源的先前迭代已经是世界上最强大的;今年的升级将其功率提高了100倍。该设施于2018年12月关闭,开始过渡到极度辉煌的源头。幸运的是,covid-19大流行并未延迟8月25日的正式开放,因为该项目比计划提前了将近五个月。塞特说,研究人员已经在使用这些光束,同步加速器近期工作的最新成果最早应该公布。

使得这种重大升级成为可能的是针对1100个磁体的晶格进行的新设计,该磁体驱动围绕844米圆环的电子。这些磁体不仅使电子向前加速,而且还给它们带来轻微的“撞击”,从而改变了它们的方向。方向上的微小变化是产生X射线的关键。

一位研究人员在欧洲同步加速器光束线之一上工作。(来源:Candé/ ESRF)

“当您偏离带电粒子的轨迹时,您会发光”,Sette解释说。“而这种光就是我们所说的同步加速器光。”

这是能量守恒定律的一个简单问题:弯曲电子束以使其成环而不是直线传播时,电子每次改变方向都会损失一点能量。失去的能量是光的形式。为了使发出的光在X射线频率范围内,您需要提供更强的磁性“弹跳”。新的磁体晶格设计使连续弯曲和重新聚焦电子束成为可能,从而无需大量的环形装置即可产生大量的高能X射线光。

组织学是组织的微观研究,可以被同步加速器科学极大地推动。如今,组织学家通过将组织切成许多非常薄的样本并用染料对其进行染色以揭示微观结构来进行研究。使用同步加速器成像,无需切片和染色样品;研究人员可以对它们进行整体成像,创建高分辨率的3D扫描,以显示有关其解剖结构的更多信息。

塞特说:“这被称为'3D纳米组织学',这是医学界的梦想。” “它代表了表演组织学的一次彻底革命。”

曾经使用欧洲同步加速器的先前版本进行研究的科学家是维克多·冈萨雷斯(Victor Gonzalez),他是阿姆斯特丹国立博物馆科学部的博士后研究员。冈萨雷斯定期使用同步加速器成像来研究具有数百年历史的油漆样品。他的作品最近发现了关于伦勃朗绘画技术的细节。

“对于我的研究社区来说,ESRF升级非常重要,”冈萨雷斯在一封电子邮件中说。“新的设施先进的分析能力将使我们能够比以往更快地分析贵重样品。几天前进行的一项实验现在只需一个下午就可以进行!对我们来说,这意味着突然可以获得大量数据,因此,新的机会可以了解历史油漆层中危险的化学机理。”

现在,“极佳的信号源”已经启动并运行,世界各地的科学家都可以在光束线上申请时间。这是一个竞争性过程-研究应用程序必须经过同行评审,然后科学家才能使用同步加速器。但是通过新的升级,原本可以花费数周的实验现在可以在一天之内完成;曾经花费一天的时间仅需几分钟。

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