Forskare har utvecklat ny röntgenoptik som kan användas för att utnyttja extremt snabba pulser i en förpackning som är betydligt mindre och lättare än konventionella enheter som används för att modulera röntgenstrålar. Den nya optiken är baserad på mikroskopiska chipbaserade enheter som kallas mikroelektromekaniska system (MEMS).

"Vår nya ultrasnabba optik-på-ett-chip är redo att möjliggöra röntgenforskning och tillämpningar som kan ha en bred inverkan på förståelsen av snabbt utvecklande kemikalier, materiella och biologiska processer, " sa forskargruppsledaren Jin Wang från det amerikanska energidepartementets Argonne National Laboratory. "Detta kan hjälpa till i utvecklingen av mer effektiva solceller och batterier, avancerade datorlagringsmaterial och enheter, och mer effektiva läkemedel för att bekämpa sjukdomar."

I tidskriften The Optical Society (OSA). Optik Express , forskarna demonstrerade sin nya röntgenoptik-på-ett-chip-enhet, som mäter cirka 250 mikrometer och väger bara 3 mikrogram, med hjälp av röntgenkällan vid Argonnes Advanced Photon Source synkrotron. Den lilla enheten presterade 100 till 1, 000 gånger snabbare än konventionell röntgenoptik, som tenderar att vara skrymmande.

"Även om vi demonstrerade enheten i en stor röntgensynkrotronanläggning, när det är fullt utvecklat, den kan användas med konventionella röntgengeneratorer som finns i vetenskapliga laboratorier eller sjukhus, ", sade Wang. "Samma teknik kan också användas för att utveckla andra enheter som till exempel exakta doseringssystem för strålbehandling eller snabba röntgenskannrar för oförstörande diagnostik."

Fånga snabba processer

Röntgenstrålar kan användas för att fånga mycket snabba processer som kemiska reaktioner eller den snabbt föränderliga dynamiken hos biologiska molekyler. Dock, detta kräver en extremt höghastighetskamera med snabb slutartid. Eftersom många material som är ogenomskinliga för ljus är genomskinliga för röntgenstrålar kan det vara svårt att förbättra hastigheten på slutare som är effektiva för röntgenstrålning.

För att lösa denna utmaning, forskargruppen, bestående av forskare från Argonne's Advanced Photon Source och Center for Nanoscale Materials, vände sig till MEMS-baserade enheter. "Förutom att de används i många av den elektronik vi använder dagligen, MEMS används också för att manipulera ljus för höghastighetskommunikation, " sa Wang. "Vi ville ta reda på om MEMS-baserade fotoniska enheter kan utföra liknande funktioner för röntgenstrålar som de gör med synligt eller infrarött ljus."

I det nya verket, forskarna visar att den extremt lilla storleken och vikten på deras MEMS-baserade slutare gör att den kan svänga med hastigheter motsvarande cirka en miljon varv per minut (rpm). Forskarna utnyttjade denna höga hastighet och MEMS-materialets röntgendiffraktiva egenskap för att skapa en extremt snabb röntgenslutare.

Ökar slutartiden

Genom att använda sin nya optik-på-ett-chip med röntgenstrålar producerade av Advanced Photon Source, forskarna visade att det kunde ge en stabil slutartid så snabb som en nanosekund med en extremt hög på/av-kontrast. Detta kan användas för att extrahera enstaka röntgenpulser från källan, även om pulserna bara var 2,8 nanosekunder från varandra.

"Vi visar att vår nya chipbaserade teknologi kan utföra funktioner som inte är möjliga med konventionell stor optik, ", sade Wang. "Detta kan användas för att skapa ultrasnabba sonder för att studera snabba processer i nya material."

Forskarna arbetar nu med att göra enheterna mer mångsidiga och robusta så att de kan användas kontinuerligt under långa tidsperioder. De integrerar också de perifera systemen som används med de små chipbaserade MEMS-enheterna i ett utplacerbart fristående instrument.