Uma equipa de investigadores, do Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear (IPFN) do Instituto Superior Técnico (IST), constituída por Joana Martins, Samuel Martins, Ricardo Fonseca e Luís Oliveira e Silva, inserida numa colaboração Imperial College – Universidade de Michigan – IST, publicou um artigo na reconhecida revista científica internacional «Nature Physics» com a demonstração experimental da fonte de raios-X com elevada coerência espacial, e baseada em aceleradores laser-plasma, mais brilhante conseguida até hoje.
O método de geração de raios-X de elevado brilho agora demonstrado poderá ter grande impacto na imagiologia em medicina, biologia e ciência dos materiais, permitindo obter imagens de elevada resolução de fenómenos ultra-rápidos e, no futuro, de sistemas biológicos “in vivo”.
Na experiência descrita no artigo, os raios-X são gerados por electrões criados e acelerados durante a interacção de um impulso laser muito intenso e curto com um gás, que é ionizado à passagem deste, transformando-se em plasma. Ao propagar-se pelo plasma, o impulso laser deixa atrás de si uma ondulação de forma semelhante à deixada por um barco atrás de si.
Alguns dos electrões que são afastados à passagem do impulso laser conseguem apanhar a onda e 'surfá-la', ganhando energia. Estes também oscilam transversalmente – o que faz com que radiem. Por serem acelerados aproximadamente até a velocidade da luz, a radiação que emitem chega aos raios-X.
A equipa modelizou computacionalmente a experiência e utilizou os dados obtidos para determinar a radiação gerada numericamente, recorrendo a alguns dos mais potentes supercomputadores do Mundo. Joana Martins, uma das autoras deste trabalho, explica: "As nossas ferramentas numéricas permitiram não só reproduzir os resultados experimentais como compreender em detalhe todos os processos físicos relevantes". Segundo Luís Silva, "as simulações permitirão optimizar futuras fontes de radiação e adaptá-las a diferentes aplicações”.
Nova geração de fontes de raios-X
As sucessivas gerações de fontes de raios-X têm contribuído para grandes avanços científicos como as primeiras radiografias e a determinação da estrutura do DNA. Actualmente, as mais sofisticadas conseguem produzir raios-X coerentes de vários keV e de elevado brilho que permitem produzir imagens de sistemas complexos na escala do nanómetro (1 nanómetro = 10-9 metros) e do femtosegundo (1 femtosegundo = 10-15 segundos).
No entanto, estas fontes são baseadas em aceleradores convencionais de grandes dimensões e de elevado custo. Este trabalho veio demonstrar a possibilidade de utilizar aceleradores laser-plasma como fontes de raios-X de elevado brilho e com coerência espacial, o que permitirá reduzir as dimensões deste tipo de fontes de centenas de metros para centímetros e diminuir significativamente os seus custos, simultaneamente permitindo obter imagens de elevada resolução de fenómenos ultra-rápidos e, no futuro, de sistemas biológicos 'in vivo'.
A coerência espacial destes feixes de radiação, que traduz o “grau de organização dos fotões”, é o que torna possível usá-los para tirar estas imagens raios-X e no futuro, com comprimentos de onda ainda menores, obter “filmes de vírus”.
www.cienciahoje.pt
O método de geração de raios-X de elevado brilho agora demonstrado poderá ter grande impacto na imagiologia em medicina, biologia e ciência dos materiais, permitindo obter imagens de elevada resolução de fenómenos ultra-rápidos e, no futuro, de sistemas biológicos “in vivo”.
Na experiência descrita no artigo, os raios-X são gerados por electrões criados e acelerados durante a interacção de um impulso laser muito intenso e curto com um gás, que é ionizado à passagem deste, transformando-se em plasma. Ao propagar-se pelo plasma, o impulso laser deixa atrás de si uma ondulação de forma semelhante à deixada por um barco atrás de si.
Alguns dos electrões que são afastados à passagem do impulso laser conseguem apanhar a onda e 'surfá-la', ganhando energia. Estes também oscilam transversalmente – o que faz com que radiem. Por serem acelerados aproximadamente até a velocidade da luz, a radiação que emitem chega aos raios-X.
A equipa modelizou computacionalmente a experiência e utilizou os dados obtidos para determinar a radiação gerada numericamente, recorrendo a alguns dos mais potentes supercomputadores do Mundo. Joana Martins, uma das autoras deste trabalho, explica: "As nossas ferramentas numéricas permitiram não só reproduzir os resultados experimentais como compreender em detalhe todos os processos físicos relevantes". Segundo Luís Silva, "as simulações permitirão optimizar futuras fontes de radiação e adaptá-las a diferentes aplicações”.
Nova geração de fontes de raios-X
As sucessivas gerações de fontes de raios-X têm contribuído para grandes avanços científicos como as primeiras radiografias e a determinação da estrutura do DNA. Actualmente, as mais sofisticadas conseguem produzir raios-X coerentes de vários keV e de elevado brilho que permitem produzir imagens de sistemas complexos na escala do nanómetro (1 nanómetro = 10-9 metros) e do femtosegundo (1 femtosegundo = 10-15 segundos).
No entanto, estas fontes são baseadas em aceleradores convencionais de grandes dimensões e de elevado custo. Este trabalho veio demonstrar a possibilidade de utilizar aceleradores laser-plasma como fontes de raios-X de elevado brilho e com coerência espacial, o que permitirá reduzir as dimensões deste tipo de fontes de centenas de metros para centímetros e diminuir significativamente os seus custos, simultaneamente permitindo obter imagens de elevada resolução de fenómenos ultra-rápidos e, no futuro, de sistemas biológicos 'in vivo'.
A coerência espacial destes feixes de radiação, que traduz o “grau de organização dos fotões”, é o que torna possível usá-los para tirar estas imagens raios-X e no futuro, com comprimentos de onda ainda menores, obter “filmes de vírus”.
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