أول مطياف TES في أوروبا يجعل تجارب الأشعة السينية التي كانت مستحيلة سابقًا ممكنة

يعمل أول مطياف TES في أوروبا على إحداث تحول في أبحاث الأشعة السينية بحساسية أكبر بما يصل إلى 1000 مرة، مما يجعل التجارب التي كانت مستحيلة في السابق ممكنة في النهاية.

يعمل الآن مقياس الطيف TES الأول والوحيد في أوروبا عند مصدر ضوء السنكروترون في BESSY II، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في أبحاث الأشعة السينية. تم تطوير الأداة الجديدة من خلال التعاون بين HZB وMPI-CEC (موهلهايم آن دير رور، ألمانيا) وNIST (بولدر CO، الولايات المتحدة الأمريكية)، ويمكن للأداة الجديدة اكتشاف فوتونات الأشعة السينية بكفاءة أكبر بـ 100 إلى 1000 مرة من مطياف انبعاث الأشعة السينية التقليدية المشتتة ذات الطول الموجي.

ستسمح حساسيتها الاستثنائية للباحثين بالتحقيق في الخواص الإلكترونية للمواد الرقيقة ذريًا، والبنى النانوية، والعينات الذرية والجزيئية المخففة للغاية. ويدعو الفريق الآن العلماء إلى تقديم مقترحات بحثية تستفيد من الإمكانية الجديدة.

تعزيز كبير للتحليل الطيفي للأشعة السينية

تقوم مرافق السنكروترون مثل BESSY II بتوليد حزم أشعة سينية ساطعة بشكل استثنائي يستخدمها العلماء لدراسة بنية وخصائص العديد من المواد المختلفة. تقوم بعض أقوى التقنيات، بما في ذلك التحليل الطيفي لانبعاث الأشعة السينية (XES) وتشتت الأشعة السينية غير المرنة الرنانة (RIXS)، بتحليل فوتونات الأشعة السينية المنبعثة من العينة بعد تعرضها للشعاع.

توفر هذه الطرق معلومات قيمة حول البنية الإلكترونية للمادة، ولكنها تتطلب أعدادًا كبيرة من الفوتونات المنبعثة لإنتاج بيانات ذات معنى. ونتيجة لذلك، اقتصرت XES وRIXS تقليديًا على المواد السائبة والعينات ذات التركيزات العالية نسبيًا.

ما يصل إلى 1000 مرة أكثر كفاءة

“مصفوفة مستشعر الحافة الانتقالية فائقة التوصيل (TES). الفوتون يقول ريجيس ديكر، HZB، العالم المسؤول عن الجهاز الجديد: “إن الكاشف الذي قمنا بتشغيله الآن في BESSY II أكثر كفاءة بنحو 100 إلى 1000 مرة في اكتشاف الفوتونات من أجهزة قياس الطيف XES وRIXS التقليدية”.

هذا التحسن الكبير يجعل من الممكن فحص العينات التي كانت في السابق صغيرة جدًا أو مخففة جدًا لهذه التقنيات.

الكشف عن المواد الكمومية والأنظمة الجزيئية

ووفقا لديكر، فإن مقياس الطيف الجديد سيمكن من إجراء دراسات عبر مجموعة واسعة من المجالات العلمية.

“هذا يمكن أن يوفر رؤى جديدة في الكيمياء الجزيئية أو البيولوجيا الجزيئية، ولكن أيضًا في الخصائص الكمومية للأنظمة ذات الأبعاد المخفضة مثل الطبقات الأحادية الذرية، والبنى النانوية، والشوائب. يقول ريجيس ديكر: “يكمل مطياف TES طرقًا مثل ARPES، الذي يقوم بمسح هياكل النطاق الإلكتروني لمثل هذه الأنظمة”.

تعمل الحساسية المتزايدة أيضًا على تسريع العديد من التجارب. يمكن الآن إكمال القياسات التي كانت تتطلب ساعات في السابق، في بعض الحالات، في غضون دقائق.

كيف يعمل مطياف TES

يحتوي الجهاز على مجموعة من 248 مستشعرًا فائق التوصيل يعمل عند درجة حرارة منخفضة للغاية تبلغ 25 ملي كلفن فقط. يتم تحقيق هذه الظروف باستخدام ثلاجة التخفيف He4-He3، وهي تقنية تبريد مشابهة للأنظمة المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

عندما تضرب الأشعة السينية عينة، تبعث المادة فوتونات خاصة بها. يتم التقاط كل فوتون منبعث بواسطة أحد أجهزة الاستشعار فائقة التوصيل، مما يؤدي إلى رفع درجة حرارته لفترة وجيزة بما يكفي لتعطيل حالة التوصيل الفائق. يؤدي هذا التغيير الصغير إلى زيادة المقاومة الكهربائية للمستشعر، والتي يتم قياسها باستخدام دائرة تعتمد على أجهزة التداخل الكمي فائقة التوصيل (SQUIDs). تسمح هذه العملية بقياس طاقة كل فوتون بدقة ملحوظة.

معالجة متقدمة للعينات والترقيات المستقبلية

يتم توصيل مقياس الطيف بغرفة عينة مفرغة عالية مخصصة تسمح للباحثين بنقل العينات وإعدادها وتحليلها مع التحكم بدقة في درجات الحرارة من 10 كلفن إلى درجة حرارة الغرفة.

يتم تثبيت النظام الكامل على خط شعاع BESSY II UE52-SGM، والذي يوفر تحكمًا كاملاً في الاستقطاب. ستعمل التحسينات المستقبلية على توسيع قدرات إعداد العينات وتمكين التجارب في المجالات المغناطيسية للأشعة السينية ثنائية اللون الدائرية المغناطيسية في الامتصاص (XMCD) والانبعاث (RIXS-MCD).

مطياف السنكروترون TES الوحيد في أوروبا

تم إنشاء مقاييس الطيف TES في الأصل من أجل الفيزياء الفلكية، حيث تم تصميمها لاكتشاف إشارات الفوتون الضعيفة للغاية من الأجسام البعيدة.

قبل التثبيت في BESSY II، كان هناك خمسة فقط من أجهزة قياس الطيف TES تعمل في منشآت الأشعة السينية في جميع أنحاء العالم، أربعة منها في الولايات المتحدة وواحد في اليابان. يستضيف BESSY II الآن مطياف السنكروترون TES الوحيد في أوروبا.

يقول ديكر: “إننا نتطلع إلى تلقي مقترحات بحثية مثيرة من مجتمع المستخدمين لدينا”.

المرجع: “مجموعة مستشعرات حافة انتقالية فائقة التوصيل من أجل التحليل الطيفي لانبعاث الأشعة السينية الناعمة السنكروترونية لأنظمة التركيز منخفضة الأبعاد ومستوى الشوائب” بواسطة ريجيس ديكر، كيلسي إم. مورجان، سيرجي بيردكوف، تشارلز جيه. تيتوس، جالين سي. أونيل، ألكسندر ديلمان، ديمتري تيخونوف، أوتكارش براكاش، أكسل نوب جيريك، جوزيف دبليو. فاولر، جوناثان دبليو دين، ناثان ناكامورا، راؤول بلوم، ديتري تكنر، مينمين تشين، زيشاو جين، كريستيان وينيجر، توماس بلوم، تورستن كاشيل، ناثان ج. أورتيز، دوجلاس أ. بينيت، جون إيه بي ميتس، دانييل ر. فيسيلز، باستيان كليمكي، سيباستيان غيريشر، ماتيس فونديل، سيباستيان إيكرت، جويل إن. أولوم، دانييل س. سويتز، سيرينا ديبير وألكسندر فوليش، 10 يونيو 2026، مراجعة الأجهزة العلمية.
دوى: 10.1063/5.0332443

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.