AGH uruchamia źródło promieniowania rentgenowskiego dorównujące intensywnością synchrotronom

Nowo otwarte Laboratorium Zaawansowanych Technik Rentgenowskich na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH oferuje dostęp do wiązki promieniowania rentgenowskiego o parametrach dostępnych w ośrodkach synchrotronowych. Nowa infrastruktura umożliwi prowadzenie zaawansowanych badań w zakresie inżynierii materiałowej, biomedycyny, chemii czy farmacji.

Techniki rentgenowskie najczęściej kojarzą się z medycyną, gdzie RTG i tomografię komputerową wykorzystuje się do obrazowania schorzeń i urazów. Możliwe jest to dzięki temu, że różne tkanki w odmienny sposób absorbują promienienie rentgenowskie (X), w związku z czym dają w badaniach unikalny obraz.

Paleta technik wykorzystujących promieniowanie rentgenowskie znacznie wykracza jednak poza zastosowania typowo medyczne, umożliwiając badanie struktury także wielu innych materiałów niż tkanki biologiczne, a nawet precyzyjne określanie ich składu chemicznego.

Stosowanie wielu z tych metod wymaga jednak używania wiązek promieniowania o bardzo wysokich intensywnościach, których nie byłaby w stanie wygenerować zwykła lampa rentgenowska. Tak intensywne wiązki promieniowania możliwe są do uzyskania w synchrotronach, czyli gigantycznych urządzeniach w kształcie pierścieni, o obwodach liczonych w dziesiątkach metrów, w których elektrony są w tym celu rozpędzane do prędkości bliskich prędkości światła. Kiedy tor ich poruszania się ulega wymuszonemu zakrzywieniu, towarzyszy temu emisja promieniowania, którą można wykorzystać do celów badawczych.

Niedostępne wcześniej w Polsce techniki badawcze

Choć w Krakowie znajduje się synchrotron Solaris, należący do Uniwersytetu Jagiellońskiego, to udostępnione linie badawcze nie pokrywają pełni możliwości badań z wykorzystaniem promieni rentgenowskich. Badaczki i badacze z Polski, chcący skorzystać z niektórych technik, musieli dotychczas aplikować o możliwość przeprowadzenia prac we Francji, Niemczech czy Austrii.

Teraz może się to zmienić za sprawą infrastruktury, którą udostępniono na Akademii Górniczo-Hutniczej. Otwarte właśnie Laboratorium Zaawansowanych Technik Rentgenowskich nie tylko oferuje niedostępne wcześniej w Polsce możliwości w zakresie badań z wykorzystaniem promieni X, ale w porównaniu z synchrotronami ma kompaktowe rozmiary – mieści się w jednym pomieszczeniu o pow. 36 m² na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej. Składa się na nią wielofunkcyjne źródło promieniowania rentgenowskiego, system 8 detektorów jedno- i dwuwymiarowych oraz obsługująca całość aparatura komputerowa.

Niezbędną infrastrukturę zakupiło konsorcjum trzech wydziałów AGH, w którego skład oprócz WFiIS wchodzi również Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej oraz Wydział Energetyki i Paliw. Koszty inwestycji pokryto ze środków programu „Inicjatywa doskonałości – uczelnia badawcza”.

System zbudowało kanadyjskie przedsiębiorstwo Proto Manufactoring Ltd., ale w oparciu o specyfikację przekazaną przez AGH, co czyni go unikalnym w skali świata. Jego „sercem” jest nowoczesna lampa rentgenowska MetalJet firmy Excillum, którą wyposażono w anodę z ciekłego metalu, co odróżnia ją od anod stałych czy wirujących używanych w typowych aparatach RTG czy tomografach komputerowych.

Wyjątkowa lampa rentgenowska i systemy optyczne

W lampach rentgenowskich promieniowanie X powstaje w trakcie przepływu strumienia elektronów pomiędzy katodą a anodą, kiedy ta ostatnia jest „bombardowana” przez rozpędzane w tym celu elektrony. Anoda w czasie tego procesu bardzo się nagrzewa, w związku z czym wymaga skutecznego chłodzenia i przy zbyt dużej intensywności strumienia cząstek może ulec przegrzaniu.

W lampach MetalJet anoda wykonana jest z ciekłego metalu, który ulega ciągłemu odnawianiu, wskutek czego ciepło jest odprowadzane bardziej efektywnie. Dzięki temu, w laboratorium AGH możliwe jest uzyskanie wiązki promieniowania rentgenowskiego o parametrach odpowiadającym źródłom synchrotronowym.

Aparatura na AGH oferuje dostęp do wiązki o maksymalnej energii 160 keV, przy jednoczesnym dostępie do dwóch linii o charakterystycznych energiach 9,2 keV i 24 keV. Przekłada się to na możliwość badania trudno przenikliwych materiałów, a także wymagających stosowania specyficznych parametrów wiązki.

Aparatura przewyższa pod tym względem możliwości linii badawczej Polyx dostępnej na synchrotronie Solaris, która oferuje wiązkę promieniowania rentgenowskiego o energii 15 keV. Jednocześnie, dzięki implementacji zaawansowanych systemów optycznych, dorównuje źródłom synchrotronowym pod względem intensywności i skupienia wiązki, co ma wpływ się na szybkość i dokładność badań.

Pokaże to, czego nie widzi zwykły rentgen i tomograf

Laboratorium otwarte na AGH umożliwia stosowanie wielu zaawansowanych technik badawczych:

• diffraction contrast tomography (DCT) – łączy metody tomografii komputerowej z kontrastem dyfrakcyjnym, który umożliwia określanie lokalizacji i orientacji przestrzennej ziaren kryształów w materiałach krystalicznych w oparciu o to, jak załamują one fale promieniowania X,
• X-ray fluorescence tomography (XRF tomography) – umożliwia precyzyjną analizę rozkładu przestrzennego pierwiastków w trójwymiarze na postawie charakterystyki ich widma flourescencyjnego po wzbudzeniu promieniami rentgenowskimi,
• energy dispersive diffraction (EDF) – metoda podobnie jak DCT bazująca na dyfrakcji fal promieniowania rentgenowskiego w kryształach, w przypadku której analizie poddaje się nie wzory dyfrakcji, ale energię rozproszonych promieni; szczególne zastosowanie znajduje w przypadku badania dynamicznych procesów, np. materiałów poddawanych naprężeniom,
• phase-contrast X-ray tomography – technika łącząca tomografię komputerową z kontrastem fazowym, gdzie oprócz absorbcji promieniowana rentgenowskiego przez strukturę materiału analizowany jest sposób, w jaki wpływa ona na przesunięcie fazowe fal promieniowania X; umożliwia to obrazowanie struktur słabo absorbujących promieniowanie rentgenowskie, np. tkanek biologicznych,
• single-crystal X-ray diffraction (SC-XRD) – kolejna metoda podobnie jak DCT opierająca się na zjawisku dyfrakcji fal promieniowania rentgenowskiego, ale stosowana nie do badania struktury materiałów krystalicznych, ale układu atomów w pojedynczych kryształach.

Cały system oparty jest na modułowej konstrukcji, która pozwala na wymianę i kalibrację i poszczególnych elementów – np. detektorów, optyki czy układów mocowania próbek – w zależności od szczególnych potrzeb badawczych. Obszerna przestrzeń w miejscu przeznaczonym na próbki pozwala również na montaż różnego rodzaju dodatków, np. komory temperaturowej lub modułów wytrzymałościowych, pozwalających na badanie materiałów pod kątem ich stabilności temperaturowej czy odporności na ściskanie i rozciąganie.

Dzięki temu, że lampa MetalJet może generować jednocześnie dwie wiązki promieniowania rentgenowskiego w przeciwstawnych kierunkach, w przyszłości możliwe będzie uruchomienie na aparaturze dwóch niezależnych linii badawczych.

Zwiększenie szans na uzyskanie grantów europejskich

Prowadzenie badań w laboratorium będzie odbywać się na podobnych zasadach, jak ma to miejsce w dużych ośrodkach badawczych. Badaczki i badacze chcący skorzystać z dostępnej infrastruktury powinni złożyć wniosek uzasadniający cel przeprowadzenia badania. Aplikacje oceni Rada Naukowa złożona z pracowników naukowych trzech wydziałów AGH zarządzających aparaturą. W zależności od wyniku oceny autorkom i autorom wniosków Rada przyzna określony czas pomiarowy.

– Staranie się o duże europejskie granty naukowe wymaga dysponowania zapleczem aparaturowym umożliwiającym ich realizację. Posiadanie przez AGH własnego źródła RTG o możliwościach zbliżonych do największych europejskich ośrodków badawczych umożliwi dostęp do nowoczesnych i do tej pory niedostępnych w Polsce technik badawczych, co z pewnością ułatwi aplikowanie o ambitne projekty. Warto także wspomnieć, że wyniki badań uzyskane na dużych przyrządach badawczych i z wykorzystaniem nowatorskich technik mają zdecydowanie większy potencjał publikacyjny – wyjaśnia pomysłodawca nowego laboratorium dr hab. inż. Sebastian Wroński, profesor na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej.

Doświadczenie AGH w mikro- i nanoobrazowaniu

Laboratorium Zaawansowanych Technik Rentgenowskich rozszerza możliwości działającego od 2012 r. na WFiIS Laboratorium Mikro- i Nanotomografii, które prof. Wroński prowadzi wspólnie z dr. hab. inż. Jackiem Tarasiukiem, prof. AGH. Do sukcesów LMiNT należy m.in. odkrycie dokonane w 2018 r. W trakcie badań prowadzonych w kooperacji z Instytutem Systematyki i Ewolucji Zwierząt PAN w kości mamuta odnalezionej przy ul. Spadzistej w Krakowie zidentyfikowano fragment krzemiennego grotu. Udało się dzięki temu dowieść, że łowiectwo występowało na tych terenach już 27 tys. lat temu, czyli o 2 tys. lat wcześniej niż dotychczas uważano.

LMiNT prowadzi również wiele innych badań materiałowych we współpracy z ośrodkami krajowymi i zagranicznymi. Bada m.in. kosteczki słuchowe czy zastawki serca na potrzeby implantologii.

Źródło: informacja prasowa

Czytaj także: Technologie inspirowane naturą – od futra niedźwiedzia do materiałów przyszłości