Távolságmérés röntgensugárral

 

Az anyagot bizonyos alkalmazásaiban az atomok szintjén is ismernünk kell. A kristályos anyagok szerkezetének - a kristályt alkotó atomok egymástól való távolságának, elrendeződésének - meghatározására alkalmas módszerek közül az egyik legfontosabb a röntgendiffrakción - a röntgensugarak szóródásán és interferenciáján - alapuló módszer. Erről beszélgetünk Faigel Gyula fizikussal, e terület nemzetközi hírű tekintélyével.

Röntgendiffrakciós mérés Grenoble-ban

Miért éppen a röntgensugárzás a legalkalmasabb az atomi struktúrák feltárására?

Honnan nyerjük a vizsgálatokhoz szükséges röntgensugárzást?
- Ez egy nagyon fontos kérdés. Ha valamit meg akarunk figyelni, sikerünk nagymértékben függ attól, hogy vizsgálódásunk tárgya miként van megvilágítva. Ha elmegyünk este egy vendéglőbe, akkor romantikus gyertyafényben is kényelmesen elkölthetjük a vacsoránkat, megtaláljuk a kanalat, a sótartót, a szalvétát. Ám ha egy tűbe gyertyafénynél szeretnénk cérnát fűzni, meglehetősen reménytelen a helyzetünk. Ugyanígy, a röntgenforrások fejlődése - a megvilágítás erőssége - alapvetően meghatározza a röntgendiffrakciós eljárással megoldható problémák körét.

Milyen fejlődésen mentek keresztül a röntgenforrások?
- A legősibb forrás a röntgencső, ezt már több mint 100 éve használják. Az ilyen csövekbe a felfűtött katódból kilépő elektronok több kilovolt feszültség hatására felgyorsulnak, majd az anódba becsapódva lefékeződnek. A röntgensugárzás egy jó része a fékeződés - a lassulás - hatására keletkezik. Míg egy másik folyamat: az atomi elektronoknak a bejövő nagyenergiás elektronok által való kilökése is röntgensugárzás keletkezéséhez vezet. Azonban még e két folyamattal együttesen is csak viszonylag gyenge sugárzás állítható elő. Az újabb források már nem röntgencsövek, hanem hatalmas részecskegyorsítók: szinkrotronok-tárológyűrűk, amelyekben az elektronok fénysebességhez közeli sebességgel körpályán keringenek a rájuk ható Lorentz-erő következtében. A körpályára kényszerült elektronok sebessége állandó, ám mozgásirányuk folyvást változik, emiatt lép fel a szinkrotron- (röntgen-) sugárzás. Az elektronok a fénysebességéhez közeli sebességének köszönhető, hogy a sugárzás sokkal kevésbé széttartó, mint a röntgencsövekből távozó sugárzás. Itt egy párhuzamos, jól meghatározott irányú sugárnyalábot kapunk, elvezetésére az elektronok pályája mentén ablakokat nyitunk, ezeken a - helyeken az érintő irányában - lép ki a röntgensugárzás.
Mindez, persze, csak durva közelítés. Ahhoz, hogy az elektronok egy szinkrotron - akár a kilométert is meghaladó átmérőjű - körpályáján fussanak körbe, hatalmas kiterjedésű, homogén, az elektronok keringési síkjára merőleges mágneses térre lenne szükségünk. Ennek előállítása nem lenne praktikus, ezért a valóságban a szinkrotronban egyenes és görbülő szakaszok zárulnak körré.

Az egyenes szakaszokon nincs mágneses tér?
- A régi szinkrotronok esetében nem volt. Ilyenkor e szakaszokon az elektronok nem gyorsulnak, ezért nem is sugároznak, és nincs energiaveszteség sem. Az újabb építésű szinkrotronokban azonban az egyenes szakaszokban is alkalmaznak mágneses teret, méghozzá periodikusan váltakozó mágneses teret. A részecskék ezen keresztülhaladva hullámmozgást végeznek: hol balra, hol meg jobbra téríti el őket a Lorentz-erő. Az elektronok ebben a hullámzásban is gyorsulnak, hiszen mozgásirányuk ekkor is folyamatosan változik. Kiderült, hogy az ilyen periodikusan változó mágneses tér adja a legjobban kezelhető sugárzást. A mágneses térrel nagyon jól hangolható az elektronnyaláb oszcillációja, s az is elérhető, hogy az egymást követő szakaszokban keletkező sugárzás összeadódjon.

Horányi Gábor