Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Linie badawcze

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Kontakt w sprawie linii

dr Katarzyna Sowa
tel.: 12 664 41 32, 881 587 729  
e-mail: k.sowa@uj.edu.pl

prof. dr hab. Paweł Korecki
tel. 12 664 46 27, 602 44 15 32 
e-mail: pawel.korecki@uj.edu.pl

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

POLYX (w budowie)

Linia badawcza PolyX będzie stanowić uniwersalne i interdyscyplinarne narzędzie do multimodalnego mikroobrazowania i mikrospektroskopii w zakresie twardego promieniowania rentgenowskiego, tym samym pozwoli uzyskiwać przestrzenną (2D oraz 3D) informację o składzie pierwiastkowym, związkach chemicznych, a także o fazach krystalicznych występujących w badanych próbkach.

Synchrotron SOLARIS jest jednym z najnowocześniejszych synchrotronów na świecie. Jest to urządzenie o bardzo dużej jasności ale o stosunkowo niskiej energii elektronów krążących w pierścieniu akumulacyjnym (1.5 GeV). Dlatego SOLARIS jest zoptymalizowane do wytwarzania promieniowania elektromagnetycznego w zakresie IR, UV i miękkiego promieniowania rentgenowskiego. Metody eksperymentalne  wykorzystujące twarde promieniowanie X są jednak często niezastąpione i, co ważne, interesujące dla szerokiego grona użytkowników promieniowania synchrotronowego. PolyX powstaje w wyniku ścisłej współpracy naukowców z Uniwersytetu Jagiellońskiego i Akademii Górniczo Hutniczej, z udziałem naukowców z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN i w konsultacji z naukowcami z całej Polski.

Główne założenia:

Głównym założeniem projektu POLYX@SOLARIS jest wytworzenie linii badawczej do obrazowania rentgenowskiego wykorzystującej polichromatyczne promieniowanie rentgenowskie (POLYchromatic X-rays) oraz achromatyczną optykę polikapilarną (POLYcapillary optics) do wydajnego ogniskowania wiązki polichromatycznej. Te dwa rozwiązania pozwolą na uzyskanie wiązki twardego promieniowania rentgenowskiego (4-16 keV) o intensywnościach typowych dla znacznie większych synchrotronów. Rozdzielczości przestrzenne technik obrazowania rentgenowskiego, wynikające z rozmiarów zogniskowanej wiązki, będą jednak mniejsze niż w przypadku najnowszych synchrotronów.

Kluczowym elementem linii (Rys. 1) będzie hybrydowy monochromator składający się z  pary kryształów (Double Crystal Monochromator – DCM)  i pary wielowarstw (Double Multilayer Monochromator – DMM). Monochromator DMM umożliwi uzyskanie intensywnej wiązki o stosunkowo szerokim pasmie energetycznym. Monochromator DCM będzie przeznaczony do metod wymagających dużego stopnia monochromatyzacji.

 

Rysunek 1. Linia PolyX konstruowana na synchrotronie SOLARIS. (a) Uproszczony schemat linii. DMM/DCM oznacza hybrydowy monochromator rentgenowski. Lustro kolimujące zostanie zainstalowane w drugiej fazie konstrukcji linii. Dolne rysunki (b-d) przedstawiają podstawowe geometrie eksperymentów na PolyX  wykorzystujące wiązkę zogniskowaną i równoległą.

Rozmiar wiązki:

Maksymalny rozmiar wiązki rentgenowskiej na PolyX wyniesie 20 mm × 4 mm, a wiązka zogniskowana z użyciem optyki polikapilarnej będzie miała wymiary od 5 µm do 50 µm.  Liczba fotonów na sekundę w zogniskowanej wiązce, w zależności od stopnia monochromatyzacji, będzie na poziomie 108-1010. W przyszłości, zastosowanie kompaktowych luster Kirkpatrick-Baez’a może umożliwić skupienie wiązki do rozmiarów poniżej mikrometra.

Techniki badawcze:

Podstawową techniką badawczą na PolyX będzie rentgenowska mikro-analiza fluorescencyjna (µXRF). Technika ta jest realizowana w geometrii skaningowej i dostarcza informację o przestrzennym rozkładzie pierwiastków w badanych próbkach. Na linii PolyX możliwe będzie również przeprowadzanie eksperymentów w geometrii konfokalnej i uzyskanie informacji głębokościowej. Niezwykle istotnym uzupełnieniem metody µXRF, będzie metoda µXAFS - spektroskopia progu absorpcji rentgenowskiej umożliwiająca, między innymi, identyfikację stanu chemicznego pierwiastków w próbce.

PolyX umożliwi również wykonywanie standardowych pomiarów mikro tomograficznych (µCT) w wiązce równoległej z rozdzielczością na poziomie 1 mikrometra. Ze względu na niską energię krytyczną SOLARIS, tomografia rentgenowska (z kontrastem absorpcyjnym i fazowym) możliwa będzie jednak dla stosunkowo małych lub słabo absorbujących próbek np. materiałów biologicznych.

Znacznie lepszą rozdzielczość obrazowania (na poziomie 150 nm) umożliwią niedawno rozwinięte metody obrazowania plenoptycznego i tomografii stożkowej w geometrii wielowiązkowej z użyciem optyki polikapilarnej. Wspomniana rentgenowska mikroskopia plenoptyczne posiada unikatową cechę tj. możliwość obrazowania struktury warstwowej próbek na postawie pojedynczej ekspozycji rentgenowskiej (bez obrotów próbki wymaganych w tomografii).  Rysunek 2 pokazuje wynik testowego eksperymentu plenoptycznego przeprowadzonego dla specjalnie przygotowanego fantomu (mikrokulek  lateksowych na folii kaptonowej). 

Stanowiska badawcze na linii PolyX będzie można w łatwy sposób modyfikować co będzie się łączyć z możliwością stosowania innych synchrotronowych metod pomiarowych, takich jak reflektometria rentgenowska, topografia rentgenowska, czy rentgenowska holografia fluorescencyjna służąca do trójwymiarowego obrazowania lokalnej struktury atomowej. Dodatkowo, ze względu na swój uniwersalny charakter, linia PolyX może także służyć jako linia badawcza do testowania nowych rozwiązań dotyczących optyki rentgenowskiej i detektorów jak i dedykowanych metod spektroskopowych.

Rysunek 2. Linia PolyX umożliwi przeprowadzanie nowego typu obrazowania rentgenowskiego - mikroskopii plenoptycznej. (a) Przykład rentgenowskiego „zdjęcia” plenoptycznego składającego się z ponad stu równocześnie zarejestrowanych projekcji fantomu. Każda mikroprojekcja odpowiada nieco innemu kątowi widzenia. (b) Obrazowany fantom. (c) Rekonstrukcja obrazu plenoptycznego -  trójwymiarowe obrazowanie obiektu na podstawie pojedynczej ekspozycji rentgenowskiej z rozdzielczością 0.4 µm. Dane eksperymentalne na podstawie: K. M. Sowa, M. P. Kujda, and P. Korecki, Plenoptic x-ray microscopy, Appl. Phys. Lett. 116, 014103 (2020).

 

Możliwe obszary badawcze:

fizyka, chemia, nauki o ziemi i środowisku, nauki biologiczne, inżynieria materiałowa, inżynieria chemiczna, inżynieria medyczna, inżynieria środowiska, biotechnologia środowiskowa i przemysłowa, elektronika, medycyna kliniczna, biotechnologia medyczna, medycyna sądowa, archeologia, badania dzieł sztuki i ochrona zabytków.

 

Planowane parametry linii PolyX

Źródło

magnes zakrzywiający

Zakres energii

4 – 16 keV

Rodzaj wiązki biała, monochromatyczna
Polaryzacja promieniowania liniowa

Natężenie

DCM - Si(111) - 109 fot./s/mm2 (@8 keV)

DMM - 1011 fot./s/mm2 (@8 keV)

Biała wiązka – 1013 fot./s/mm2 (6-12 keV)

Rozdzielczość energetyczna

DCM: 1.5×10-4

DMM: 2.5×10-2

Optyka/rozmiar ogniska/

apertura/transmisja

 

optyka

polikapilarna

30 µm

8×4 mm2

30%

12 µm

4x3 mm2

10%

5 µm

2x2 mm2

2%

lustra KB (faza 2)

<1 µm

0.5x0.5 mm2

90%

Detektory

detektory FAST SDD 50mm2  x 4

detektor z hybrydowymi pikselami 0.5M

kamera rentgenowska (scyntylacyjna)

komory jonizacyjne, fotodiody

Środowisko

powietrze, He, LV, cryo-stream

Techniki pomiarowe

µXRF (+ mod konfokalny, TXRF),µXAFS, µXRD, µCT, multimodalne obrazowanie rentgenowskie

Zastosowania 

nauki fizyczne, nauki chemiczne, nauki biologiczne, nauka o materiałach, badania dzieł sztuki, geologia, archeologia, kryminalistyka

Zespół linii badawczej:

  • prof. dr hab. Paweł Korecki, Uniwersytet Jagielloński, Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej
  • dr Tomasz Kołodziej, Centrum SOLARIS
  • dr Katarzyna Sowa, Centrum SOLARIS
  • dr Paweł Wróbel, Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej.

 

Linia PolyX jest linią w fazie konstrukcji, a jej uruchomienie planowane jest na drugą połowę 2022 roku.