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利用超短X射线闪光来捕获喷射极快的爆炸水射流

X射线 X射线激光实验 DESY
发布:2021-01-05 11:27:19    


 

水射流在被红外线激光撞击后的1、5、10和20纳秒 图片来源:Johannes Hagemann,版权:DESY

一个跨学科的研究人员团队使用超短X射线闪光来捕获喷射极快的爆炸水。欧洲X射线激光实验的目的是研究使用X射线全息术的非常小规模和非常短的过程。“作为这样一个过程的一个例子,我们选择了一种细的水射流,该水射流是通过红外激光在某一点爆炸的。”该研究的主要作者,DESY研究人员约翰内斯·哈格曼(Johannes Hagemann)说,该研究发表在1月刊的《同步辐射》期刊上。

Hagemann解释说:“为了记录这样的过程,闪光灯必须比过程本身短得多。否则,图像会因检查对象的自然运动而变得模糊。”欧洲XFEL产生的X射线闪光仅短几十飞秒。飞秒是十亿分之一秒的百万分之一。在MID(材料成像和动力学)测量站,研究人员使用它对只有0.04毫米厚的水射流进行成像,并受到强大的红外激光的撞击。红外激光突然加热了一点,使水射流在20纳秒内蒸发。一纳秒等于十亿分之一秒。

生成的图像详细显示了爆炸的水射流的动态。“要获得这些图片,我们必须克服两个障碍,” DESY的首席科学家,也是该出版物的合著者之一的克里斯汀·施罗尔小组的哈格曼说。“一方面,X射线闪烁的光线不是恒定的,而是连续波动的。另一方面,我们最初只得到全息图,而不是真实图像,因为例如,没有像X射线这样的高质量透镜可以像可见光那样在相机中产生像。

为了克服第一个障碍,科学家们在跳跃的灯光下拍摄了许多照片,并据此开发了数学模型。哈格曼说:“这使得可以回顾性地描述任何测量的照明。” “只有这样,才能克服第二个障碍。”必须对在照明模型的帮助下获得的全息图进行数值重建,以获得水射流及其爆炸的实际图像。Hagemann解释说:“这最初是额外的努力,但有回报。” “获得的图像不仅仅是图像,而是所描绘物体的电子密度的度量。例如,这可用于识别密度较高的区域,例如在冲击过程中发生的区域。

爆炸的水射流不仅是一个模型系统,而且具有实际意义。一方面,短脉冲激光的快速蒸发也用于医疗操作;另一方面,通常使用水射流将诸如蛋白质晶体之类的生物样品运输到X射线激光束中,以探索其结构。通过该实验,现在可以证明这些细水流也适合将较大的物体(例如完整的活细胞)引入X射线束。优点:细胞保留在体内的水环境中。它们不需要固定或干燥。

X射线激光的成功成像现在开辟了许多检查选项。哥廷根大学的研究主任蒂姆·萨尔迪特(Tim Salditt)说:“将来,我们希望使用这种成像技术来绘制水中生物和软物质中更快的过程图。”

这项研究是最近在欧洲XFEL的MID测量站进行的实验的第一份科学出版物,其负责人安德斯·马德森(Anders Madsen)也是作者团队的一部分。来自哥廷根和汉堡大学,欧洲XFEL和DESY的研究人员参与了这项工作。DESY是欧洲X射线激光的主要股东,该X射线激光从汉堡的DESY站点开始,一直延伸到石勒苏益格-荷尔斯泰因州的相邻Schenefeld。

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