Ionska izvira
Pri poskusih večinoma uporabljamo ione dveh vrst: vodikove (protone) in klorove, ki imajo lahko različne pozitivne naboje. Ustvarjamo jih v ionskih izvorih. Trenutno sta za vodikove ione v uporabi dva: Duoplasmatron in Multi Cusp Ion Source. V izvorih hitri ioni zadanejo molekule plina in jih ionizirajo. Nastali kationi in anioni se tudi pospešijo ter povzročijo verižno reakcijo. V posodi se tako vžge plazma, saj je plin zelo močno ioniziran, tako dobimo proste elektrone, anione in katione. Naprej proti pospeševalniku z električnim poljem usmerimo negativno nabite delce — anione.
To se začuda da narediti tudi z vodikom. Iz kemije smo običajno navajeni, da je vodik v obliki H+ ionov, ker ob stiku z materialom takoj izgubi elektron. Če imamo atom vodika v vakuumu, ima lahko tudi dodaten elektron in je torej v obliki H–. Za proizvodnjo klorovih in tudi drugih, težkih ionov uporabljamo napraševalni izvor, pri katerem s cezijevimi ioni obsreljujemo katodo izbranega elementa (npr. klora, ogljika itd.), ki iz katode odprašijo ione izbranega elementa in jih nato pospešimo z električnim poljem. Pri izhodu iz ionskega izvira imajo ioni energijo nekaj keV. Nato jih pošljemo skozi elektromagnet, v katerem je magnetno polje navpično, kar pomeni, da z Lorentzovo silo usmerimo ione v pospeševalnik. Če je v uporabi na primer Duoplasmatron, se žarek zasuka za 90°.
Tandemski linearni pospeševalnik
Ione pospešimo z tandemskim linearnim pospeševalnikom. Na sredini cevi je plinasta elektroda, ki je lahko na napetosti do +2MV. Gre torej za oblaček plina (argona ali dušika), ki se vbrizgava v cev. Anioni, ki prihajajo z leve strani, bodo zaradi elektrostatskega privlaka leteli proti plinasti elektrodi in se pospeševali. Ko elektrodo preletijo, se jim zaradi interakcije s plinom izbijejo zunanji elektroni. Vodik preide iz stanja H– v H+, klor pa se lahko ionizira v več možnih stanj, od Cl+ pa vse do Cl7+. V drugi fazi na desni strani elektrode tako dobimo pozitivne ione, ki jih napetost odbija in se zato še enkrat pospešijo. Torej lahko z isto napetostjo dvakrat pospešimo delce, ker jim vmes spremenimo naboj.
Zaslonka
Ko žarek zapusti pospeševalnik, ga usmerimo skozi zaslonko, ki mu obreže obliko — t.i. Q-lens.
Dipolni magnet
Sledi še en dipolni magnet, ki z navpičnim magnetnim poljem, ki ga nastavljamo z električnim tokom, odklanja katione z veliko kinetično energijo, s čimer jih usmerimo v pravo eksperimentalno linijo. Pri tem moramo upoštevati, da ima žarek ionov neko magnetno rigidnost, ki produkt energije in mase, deljen z nabojnim stanjem na kvadrat. Pove nam, kako težko je žarek odkloniti. Bolj, kot je žarek rigiden, večja magnetna polja potrebujemo, da ga krivimo.
Eksperimentalne linije
Žarek lahko usmerimo v eno od trenutno petih eksperimentalnih linij:
- High resolution XRS
- PIXE in ERDA/RBS
- Microbeam
- Nanobeam (BRAND NEW!)
- External Beam
LINIJA MICROBEAMA
Žarek nadaljuje svojo pot pod kotom -10° glede na začetno smer v linijo, na koncu katere je poskus imenovan Microbeam. Kot že samo ime pove, premer ionskega curka zelo zmanjšamo — rutinsko se dosega premer curka 700 nm. Za primerjavo, na začetku je širine reda 1 mm – torej žarek zožimo za okoli 1500-krat.
Spremljajmo potek žarka: poglejmo, na katere komponente naleti vzdolž linije, zakaj so pomembne in kaj se zgodi v glavni komori, ko žarek trči ob vzorec.
VARNOSTNI VENTIL
Na začetku linije je ventil, ki lahko celotno linijo fizično loči od pospeševalnika, če bi šlo kaj narobe. Identičen ventil najdemo tudi kasneje na liniji, bližje glavni komori.
Oba ventila sta pnevmatska torej delujeta na zračni tlak. Namreč, dokler je v sistemu ventila prisoten zračni tlak drži vrata vantila odprta. Če tlak v sistemu pade, se zapora spusti in zapre cev ter prepreči uhajanje zraka v ostale dele pospeševalnika. To je dober fail safe način, saj lahko v trenutku zapre sistem, če bi v pospeševalniku prišlo do okvare.
VAKUUM
V celotnem sistemu zrak ne sme biti prisoten, saj bi se žarek na molekulah lahko sipal ali pa jih ioniziral. Za vzpostavitev in ohranjanje vakuuma (tlak je zgolj 10-7 Pa!) skrbijo turbočrpalke.
ZASLONKA
Žarek nato dodatno omejimo z zaslonko, torej ga porežemo v x in y smeri. Z dvema ploščicama, ki ju približujemo vedno bolj skupaj namreč zapiramo odprtino, skozi katero žarek lahko pride in ga tako zmanjšamo.
ODKLONILNIK ŽARKA
Vzorce v glavnem preučujemo z dvema različnima metodama — PIXE in molekularnim slikanjem — natančneje ju bomo spoznali kasneje. Pri PIXE vzorec obstreljujemo z neprekinjenim žarkom ionov, medtem ko mora biti pri metodi molekularnega slikanja žarek prekinjen. To dosežemo s odklonilnikom žarka (angl. beam deflector). Gre za kondenzator, katerega eno ploščo držimo pri konstantni napetosti, na drugi plošči pa napetost pulziramo od 0 vse do napetosti prve plošče. Zgolj, ko bosta napetosti enaki, se žarek ne bo odklanjal in bo lahko prešel skozi odprtino in naprej po liniji. Tako dobimo na vzorcu zgolj kratkotrajne pulze žarka. Za boljši občutek: pri frekvenci pulziranja 10 kHz se vsakih 100 μs zgodi en pulz in 10 do 20 ns za tem pride žarek na vzorec.
TURBO ČRPALKA
Če se premaknemo po liniji naprej, bomo na spodnji strani cevi opazili turbo črpalko, ki skrbi za ohranjanje vakuuma v sistemu.
REZALNIK ŽARKA
Naslednja pomembna komponenta na liniji je t.i. “beam chopper” oz. rezalnik žarka.
V komori, na zunanji strani katere je znak, ki opozarja na sevanje, je propelerček z nanešenim zlatom, ki se vrti z določeno frekvenco. Uporablja se za merjenje intenzitete protonskega žarka. Meri torej, koliko protonov na sekundo prileti na vzorec. Ko je propelerček v točno določeni legi, bo prešel skozi žarek in nekateri protoni, ki letijo proti vzorcu bodo interagirali z zlatom — sipali se bodo po Rutherfordu. Te delce ujamemo z detektorejem, ki je nameščen poleg propelerčka. S kakšno verjetnostjo bo do sipanja prišlo, je odvisno od sipalnega preseka. Iz števila sipanih delcev izračunamo velikost toka protonov na vzorec.
ODKLONILNA TULJAVA
Žarek v pulzni ali normalni obliki preide skozi odklonilno tuljavo, ki je zadolžena za skeniranje žarka po vzorcu. S spreminjanjem magnetnega polja v tuljavi usmerjamo žarek in skeniramo po xy-ravnini. Protone zmoremo odklanjati na območju velikem 2 mm x 2 mm. Pri težjih ionih je to območje manjše, ker je rigidnost žarka večja.
FOKUSIRANJE ŽARKA – TRIPLET KVADRUPOLNIH LEČ
Po prehodu odklonilne tuljave je žarek še vedno preširok. Želimo ga sfokusirati na velikost 700 nm v premeru. To storimo s tripletom magnetnih kvadrupolnih leč, ki sestojijo iz 4 tuljav. Glede na vezavo saka leča žarek po eni ravnini stisne, po drugi pa razširi, ker je vmes sedlasto magnetno polje. Trenutno je prva tuljava nastavljena tako, da žarek fokusira v x-smeri, drugi dve pa v y-smeri. Iskanje popolnih nastavitev (električnega toka in usmeritve leč) ni trivialno, ker so nianse res majhne. Za občutek: za iskanje optimalne nastavitve tripleta na microbeamu so potrebovali približno pol leta. Poravnavo je treba ponovno izvesti vsakič, ko se na linijo doda nova naprava, kot recimo spektrometer, merilnik ali črpalka.
GLAVNA KOMORA
Na poti žarka smo za sabo pustili triplet tuljav in končno prispeli v glavno komoro z vzorcem, kjer se izvaja poskus.
KAKŠNE VZORCE PREUČUJEJO?
Večinoma analizirajo elemente v bioloških tkivih. Biologe recimo zanima, kako se v gensko spremenjenih rastlinah nabira železo, cink ali podoben element, zelo pomemben tudi za človeka. Pri bioloških vzorcih je zelo pomembna tudi priprava. Lahko so samo zelo na tanko narezani in vstavljeni direktno v komoro pri sobni temperaturi.
Če želimo gledati na celičnem nivoju, torej z resolucijo žarka, širine manj kot 1 mikron, je zelo pomembno, da so celice čim bolje ohranjene. Za to je potrebna posebna tehnika priprave, ki se v angleščini imenuje frozen hydrated tissue preparation. Vzorec pri tem potopijo v tekoči dušik, da zamrzne, in nato ga narežejo. Nato je vzorcu nujno preprečiti stik z atmosfero, da ne oksidira. Najlažje to storijo tako, da vzorce pripeljejo v izolirani škatli, potopljene v tekoči dušik. Prav tako moramo vzorec držati zamrznjen ves čas meritev, da se celice ne razpočijo.
KAKO VSTAVIJO VZOREC V KOMORO?
Vzorca ne vstavljajo direktno v glavno komoro, ker je popolno odzračevanje komore časovno zamudno. Pomagajo si z manjšo stransko komoro, kamor vzorec običajno vstavijo na aluminijastem nosilcu. Iz komore nato izčrpajo zrak — ustvarijo predvakuum, odprejo ventil med komorama in z mehansko roko vzorec na nosilcu premaknejo v glavno komoro na pravo mesto.
Pri ravnanju s krio vzorci je potrebna previdnost in hitrost. Gre za edini setup na svetu, ki ima kombinacijo zelo ozkega mikrometrskega žarka in dopušča tudi hlajene vzorce. Da vzorec ostane tako nizki temperaturi, uporabljajo t.i. cold finger oz. mrzli stik. V posodo nad komoro natočijo tekoči dušik, ki hladi preko bakrene cevke prijemališče na nosilcu in tako drži vzorec na temperaturi -80°C globoko zamrznjen za analizo. Na ta način analizirajo večino vzorcev.
ZANIMIVOST
Ali ni dovolj, da so vzorci zgolj na temperaturi nekaj stopinj pod ničlo, saj je tudi takrat voda zamrznjena? Ne bo šlo! Voda namreč malo pod lediščem menja kristalno obliko in to pokvari biološki vzorec (možnih je več vrst ledu glede na geometrijo ledenega kristala). Šele ko smo globoko pod -50°C je led stabilen in se ne spreminja v druge kristalne oblike.
VZOREC NA PRAVEM MESTU: ČAS ZA POSKUS!
Ko je vzorec pravilno postavljen lahko začnemo z izvajanjem meritev. Uporabljata se dve različni metodi:
- PIXE ali
- molekularno slikanje.
PIXE (particle/proton induced X-ray emission)
Pri tej metodi s protoni ionizirajo atome materiala v tarči, ki jo raziskujejo. Zanima jih elementna sestava materiala.
V material streljajo s hitrimi protoni (saj imajo ti najboljši presek za fizikalne procese, ki se dogajajo) in pri tem iz atomov v materialu izbijajo elektrone. Izkaže se, da če ima proton dovolj energije, da bi lahko izbil katerikoli elektron, tudi notranji, se bo običajno ravno izbil prav notranji, kar je malo neintuitivno. Tako naredijo vrzel v atomu v eni izmed notranjih orbital, ki jo hitro zapolni en od elektronov v zunanjih lupinah. Pri tem dobijo višek energije, ki se izseva kot foton (X-žarek) ali pa kot augerjev elektron’, torej, da enega od ostalih elektronov “brcne” iz atoma. Od elementa je odvisno, katera relaksacija bo prevladovala. Glede na to, kakšno energijo je ta elektron ali foton odnesel, lahko ugotovimo, za kateri element gre.
Prednost tega postopka je enostavnost. Ker je vzorec lahko pravokoten na smer žarka, ob skeniranju dobimo signal iz vsega vzorca. Ustvarijo lahko sliko vsakega elementa v vzorcu posebej in mogoča je tudi kvantifikacija, torej, kakšen delež elementa je v vzorcu.
Pri tej metodi se uporabljajo sledeči detektorji:
- Rentgensko sevanje merijo z detektorji, ki so lahko polprevodniški, za visoke energije sevanja ali pa t.i. silicone drill detektorje, ki so bolj primerni za merjenje nizkih energij rentgenskega sevanja.
- Segmentni detektor je detektor, ki zaobjame večji prostorski kot — ploščico detektorja lahko pripeljejo celo tik pred vzorec. V ploščici je luknjica, ki omogoča, da gre žarek vseeno skozi. Ta nato vzbudi elektrone, kar povzroči izsevanje X-žarkov. Ker je ploščica tako blizu, lahko zajamemo celoten prostorski tok. Z večanjem prostorskega kota pa se izboljšuje statistika naše meritve.
- Channeltron detektor (chanel electron multiplier detector) deluje na način, da se ustvarijo sekundarni elektroni zaradi trka primarnega iona, tako se ionizirajo tudi sekundarni elektroni, sledi verižna reakcija.
MOLEKULARNO SLIKANJE
Kot smo omenili, pogosto preučujejo biološka tkiva, pri katerih nas zanima tudi vrsta in razporeditev molekul, ne samo elementov. Za slednje uporabljajo molekularno slikanje, ki je bolj zahteven analitični pristop.
Za začetek poskusa ne uporabljajo protonov, ampak klorove ione. Ko ta primarni ion klora zadane vzorec, se zgodi nekaj podobnega kot pri skoku v vodo na bombico — ven “pljusknejo” molekule, tako ionizirane kot nevtralne, in tudi sekundarni elektroni. Temu procesu po angleško pravimo sputtering.
Ione najprej pospešijo z napetostjo okoli 5 kV in jih pošljejo v spektrometer. Zaradi različnih mase bodo imeli različne hitrosti. Merimo čas preleta na določeni razdalji, iz česar lahko izračunamo hitrost in posledično maso iona. Na podlagi njegove mase lahko ugotovimo, za katero molekulo gre, seveda pod pogojem, da je natančnost dovolj velika.
Molekularno slikanje je sekundarna ionska masna spektrometrija. Dobimo namreč sekundarne ione, ki jih izbijemo iz vzorca in jih nato pospešimo v masni spektrometer.
V tem načinu je v spektrometru ključno, da lahko merijo čas preleta. Vedeti morajo, kdaj je ion zadel vzorec in kdaj je sekundarni ion prišel do detektorja (vsega ostalega ni težko izmeriti). Za meritev prvega časa izkoriščajo pulziranje, ki ga lahko ustvarijo z odklonilnikom žarka prej na liniji. Ko je žarek poravnan za približno 10 ns, pride skozi odprtino kakšen ion ali mogoče dva, nato žarek spet odklonimo. Primarni ion zadane vzorec, sprosti sekundarne ione, ki jih nato pospešijo. Čas preleta traja med 20 in 50 μs, tako, da je okno, v katerem merijo čas preleta, nastavljeno na 100 μs. To ponavljajo za vsak pulz.
Omejuje jih pulziranje, saj lahko ion pride skozi odprtino na začetku ali na koncu pulza, kar vpliva na končni čas preleta. Dobra stran spektroskopa, ki ga uporabljamo pri poskusu, je, da lahko merimo vse naenkrat, tako vodik, kot tudi težke ione.
Obstaja pa še ena težavo. Vsak sekundarni ion oz. molekula ima že neko začetno eenrgijo do maksimalno 5 eV. Čeprav jih nato pospešimo s 5kV, začetna hitrost še vedno vpliva na končno resolucijo. To zagato so rešili z nadgradnjo spektroskopa z reflektorjem, ki elektrodi z malo višjo napetostjo od pospeševalne (več kot 5 kV) ione povsem odbijemo nazaj. Hitrejši ioni bodo morali pri tem narediti daljšo pot in počasnejši krajšo, s čimer se vpliv začetne hitrosti izniči.
Z vsemi izboljšavami maso lahko merijo na 1 enoto atomske mase natančno pri masah molekul 2000 enot atomske mase.
Zanimivost oz. demonstracija, kaj ta metoda zmore. Nizozemski zapornik, ki je bil odvisnik od drog, je za to raziskavo podaril svoj las. V človeške lase se namreč nalagajo toksini. Z ionskim žarkom so skenirali njegov las in z desorpcijo molekul ugotovili, katere spojine vsebuje. Z ločljivostjo 8 ur je bilo jasno videti, kdaj v zadnjih tednih je bil zadrogiran.
VARIANTA B ZA MOLEKULARNO SLIKANJE
Obstaja tudi bolj zahtevna analitična metoda za merjenje relativne mase molekul. Kakršenkoli vzorec, ki ima velike organske molekule, dajo v komoro in ga obstreljujejo z ioni. Zgodi se, da se včasih, če ion ne prileti direktno na molekulo, ampak zraven nje, iz površja odtrga celotno molekulo. Včasih se molekula sicer samo “zlomi”, spet drugič pa odleti cela. Podobno kot pri trampolinu: če skočiš zraven nekoga lažjega, lahko tega odnese močno navzgor.
Molekula se desorbira in nato jo z malo električnega polja pospešijo in pošljemo v spektrometer. Merijo, koliko časa rabi, da pride do detektorja. Za boljšo natančost je bil dodan še reflektor, plošča s stalnim električnim potencialom.
Ker je molekula nabita, se odbije od reflektorja, da izločijo njeno začetno hitrost, ki jo je imela tik po izbitju iz materiala. Poznamo čas preleta in električno polje, s katerim smo jo pospešili — torej imamo masni spektrometer za zelo majhne količine molekul, ki jih desorbiramo. Kako je z natančnostjo meritve? Pri masi molekule reda nekaj sto enot atomske mase, ločimo maso na eno enoto natančno.
Prednosti pospeševalnika na IJS
V komercialno dostopnih napravah lahko materiale obstreljujejo z delci energij keV. Zakaj ta način ni optimalen oz. kakšne so glavne prednosti, če imajo delci energijo MeV, kot jo lahko dosežemo na pospeševalniku IJS?
Proces ima v vsakem režimu različne lastnosti:
keV: Prevlada proces nuclear spattering oz. collision cascades, pri čemer primarni ion zadane atome v vzorcu, ki se nato med seboj trkajo, kot žogice pri biljardu. To lahko privede do tega, da kakšna molekula ‘’skoči’’ iz vzorca, vendar zelo redko ostane nepoškodovana. Žal je ta proces zelo invaziven za vzorec, kar povzroči zlomljen ali fragmentiran material na koncu poskusa. Torej, če želimo analizirati velike organske molekule, je zelo majhna verjetnost, da jih iz vzorca v tem režimu dobimo nedotaknjene. Zato se ta ‘’komercialni’’ postopek uporablja bolj za analizo anorganskih materialov.
MeV: Ion z energijo MeV zaradi svoje hitrosti komaj da “vidi” vzorec. Edina interakcija iona z vzorcem je preko t.i. elektronskih ekscitacij. Pri tem se vsak atom ali molekula, ki je na poti MeV ionu, malo vzbudi — začne vibrirati. Vzbudijo se tudi elektroni in povzročijo vibracije celotne strukture tkiva, kar privede do izločanja molekul iz površja tkiva. Gre za precej manj invaziven proces. Zgornja meja za maso izbite molekule pri keV režimu je 2 enoti atomske mase. Pri energijah reda MeV pa so demonstrirali izbitja molekul z masami 105 enot atomske mase. Tako lahko analiziramo proteine, težke aminokisline itd. Za analizo bioloških tkiv je torej optimalen čim hitrejši ion. Maksimalne energije, ki jih dosežejo s klorovimi ioni v pospeševalniku IJS, so reda velikosti MeV.
So njihov cilj še višje energije?
Absolutno. Pri še višjih energijah bi bil delež elektronskega sputteringa napram jedrskemu še večji, kar bi privedlo do boljša natančnost.
Raziskovalca na poskusu microbeam, Boštjana Jenčiča, smo za konec vprašali, kaj obsega delo raziskovalca na eksperimentu in kako lahko sodelujejo tudi študenti.
Kaj tudi obsega delo na eksperimentu?
Boštjan Jenčič: Najprej moraš razumeti osnovne principe fizike, da uspeš žarek sfokusirati in usmeriti v pravo linijo. Potrebuješ tudi nekaj eksperimentalne žilice, ker delaš z napravami pod visoko napetostjo in je lahko neznanje precej nevarno.
Kot vidite imamo povsod znake “pozor sevanje”, a je slednje pri našem delu precej manj nevarno kot delo z visokimi napetostmi. Že sam odklonilnik pulzira z napetostjo 1kV.
Kaj lahko študent pričakuje pri delu na tem eksperimentu? Kaj so njegove glavne naloge?
Vsakič na novo se soočamo z raznimi težavami pri eksperimentu, kar je posledica velike količine opreme, ki spremlja poskus. Hitro se moraš naučiti, kako najti težavo v skupku mnogih elementov. Npr. ne dobi se signala iz enega od detektorjev in je treba ugotoviti, kje v liniji se je zataknilo.
Je delo, ki poleg fizike združuje tudi veliko ostalih ved in je torej zelo multidisciplinarno. Pri fiziki moraš razumeti, kako vse poteka, razumeti procese pri interakciji iona z vzorcem, kako interpretirati te rezultate.
Delo vsebuje tudi analizo in pripravo vzorcev. Zelo dobrodošli so študentje, ki jim delo z orodjem ni tuje. T.i. inženirski prispevek je zelo cenjen. Prisotno je tudi tehnično risanje, poznavanje materialov in podobno.
Tudi programiranja ne manjka, predvsem obdelave podatkov, sploh za PIXE. Lahko pa programiranje obsega tudi bolj ‘’zanimiva’’ področja, kot sorecimo simuliranje, modeliranje kakšne ionske optike. Naredili smo lastne programe za zajem in obdelavo podatkov. Študentje, ki radi programirajo, so torej zelo dobrodošli.