Ionstråler: hva de er, hvordan de genereres og hva de brukes til

Ionstråler er, grovt sett, kontrollerte strømmer av ladede atomer eller molekyler Disse akselereres og styres av elektriske og magnetiske felt i et vakuum. Langt fra å være et rent laboratoriekonsept, har de blitt essensielle verktøy innen vitenskap, industri, medisin, romfart og til og med planetforsvar. Deres allsidighet skyldes det faktum at de lar deg analysere, modifisere og fremme materie. med en presisjon som er vanskelig å matche med andre teknikker.

I dag brukes de til å studere alt fra sammensetningen av et pigment i et maleri til DNA-respons på stråling og selektiv tumorødeleggelseDe brukes også til å herde materialer til fusjonsreaktorer eller romfartøy, til å produsere radiofarmasøytiske produkter, og til og med til ionefremdriftsmanøvrer og asteroideavbøyning. La oss rolig og uten omveier gå gjennom hvordan de genereres, hvordan de akselereres og hvordan de brukes..

Hva er en ionestråle, og hvordan oppfører den seg?

En ionestråle er verken mer eller mindre en rettet strøm av elektrisk ladede partiklerSiden de er ladet, øker eller mister disse partiklene fart avhengig av det elektriske feltet de passerer gjennom, og de kan fokuseres eller avbøyes av magnetfelt. I praksis er de begrenset innenfor metallvakuumrør for å redusere kollisjoner med luft og opprettholde presise baner, fra noen få elektronvolt til energier så høye at de nærmer seg en betydelig brøkdel av lysets hastighet, avhengig av gasspedalen.

I ionestråler måles strålestabilitet og kvalitet ved hjelp av parametere som strøm, divergens, energi og isotopisk renhet. Nettoladning kan forårsake frastøting mellom ioner, som har en tendens til å separere strålen; derfor brukes strålenøytralisering og optiske teknikker for å holde den "lukket" og i ønsket form.

Hvordan de genereres: ion- og plasmakilder

Det første trinnet i å ha en stråle er ionekilden. Den vanligste konfigurasjonen består av tre nøkkelelementer: et utløpskammer (der plasmaet lages), et sett med ekstraksjonsnett og en nøytralisator. Gassen (svært ofte argon) føres deretter inn i et kvarts- eller aluminakammer med en viklet radiofrekvensantenne rundt.

Dette RF-feltet eksiterer elektronene i gassen ved induktiv kobling inntil blandingen ioniserer: plasma dannes. Ioner ekstraheres fra plasmaet ved å passere gjennom et sett med gitter med potensialforskjeller., som akselererer og "kollimerer" dem, og danner en stråle. Til slutt tilsettes en nøytralisator (elektronkilde) for å kompensere for strålens positive ladning, som reduserer divergensen og forhindrer elektrostatisk overbelastning av målet.

• Utløpskammer: område der gass ioniseres og plasma produseres.
• Avtrekksrister: akselerere og forme ionestrålen.
• Nøytralisatorsender ut elektroner for å nøytralisere ladning og stabilisere strålen.

I avansert produksjon brukes også spesifikke kilder, som for eksempel duoplasmatron, mye brukt til å lage ionestråler for etsning eller sputtering. Valg av kilde avhenger av gassen, den nødvendige strømmen og ønsket strålekvalitet..

Akseleratorer og tandembjelker: fra laboratoriet til prøven

Når strålen er generert, kan den injiseres i forskjellige akseleratorer. Tandem elektrostatiske akseleratorer er en klassikerDe multipliserer energien til ioner og retter dem mot en prøve eller et objekt. Der kan ionene spre, trekke seg tilbake eller stimulere utsendelsen av stråling (hovedsakelig røntgenstråler eller gammastråler). Denne strålingen detekteres og analyseres for å utlede sammensetningen og den strukturelle tilstanden. av materialet som studeres.

Energien til de utsendte partiklene eller utstrålte fotonene gir gode ledetråder: om materialet er krystallinsk eller amorft, dets hardhet og andre egenskaper nøkkelen til nye teknologier. Dessuten er utvalget av prøver enormt: tynne ark eller filmer, jordpellets, menneske- eller planteceller, frø, steiner, væsker eller gjenstander av historisk verdi. Avhengig av geometri og sammensetning kan bombing utføres i vakuum eller til og med i luften hvis det er hensiktsmessig.

Analytiske teknikker med ionestråler

Flere teknikker er avhengige av å stimulere og lese responsen fra prøven. Disse inkluderer: PIXE (partikkelindusert røntgenemisjon) y NRA (kjernereaksjonsanalyse), svært følsom for kjemisk og isotopisk sammensetning. Andre utnytter elastisk spredning eller rekyl av ioner for å profilkonsentrasjoner i dybden og karakteriser strukturen.

Disse metodene tillater for eksempel bestemme opprinnelsen til forurensninger som fine aerosoler i luften eller sedimentpartikler som bæres av vann. De tjener også til å karakterisere forurensninger i matvarer, få bilder av individuelle celler og studere fordeling av sporstoffer i vev, nøkler til å avdekke sykdomsmekanismer.

Et annet område med innvirkning er kulturarvMed ionestråler er det mulig å analysere i en ikke-destruktiv blekk, pigmenter, maling eller emaljer på keramikk og glass for å finne ut av deres proveniens, autentisitet og mulige tidligere inngrepI forbifarten undersøkes korrosjon og nedbrytning, og det lages design. bevaringsstrategier mer nøyaktig.

Materialmodifisering: fra nanoskala til reaktorer

I tillegg til analyse er ionestråler et fantastisk verktøy for modifiser materialerInnen nanoteknologi brukes de til å lage tilpassede strukturer; innen elektronikk, ionimplantasjon introduserer dopanter med nanometrisk presisjon. Direkte bruksområder på biomaterialer utforskes til og med, som for eksempel DNA-rettet mutagenese anvendt på planteforedling.

Når vi snakker om materialer for ekstreme miljøer (tenk på romfartøyer eller fusjonsreaktorer), energiske ionestråler lar materialet bli «akselerert i livet». De kan raskt reprodusere skadenivåer tilsvarende år med rask nøytronbestråling i en eksperimentell reaktor, noe som langt overgår det en konvensjonell test ville oppnådd.

Videre, ved å bruke to eller flere samtidige stråler er det mulig å generere in situ hydrogen- og heliumgasser i materialet, og simulerer den kombinerte effekten av kjernereaksjoner. Dette gjenskaper mekanismer for hevelse og sprøhet av drivstoffkonvoluttene og andre kritiske områder, noe som fremskynder screeningen av nye kandidater.

Avansert gravering og produksjon: Sandblåsing i atomskala

Ionetsing sammenlignes ofte med sandblåsing, der i stedet for sandkorn, individuelle molekyler eller ioner å erodere målet. A duoplasmatron-ionstråle for fysisk ablasjon, og når det kombineres med kjemisk, snakker vi om reaktiv ioneetsing (RIE). Dens viktigste bruk er i mikro- og nanoproduksjon av halvledere..

Nøkkelen her er retningsbestemmelse og selektivitet. Akselererte ioner støter mot veldefinerte energier, som gjør det mulig å åpne rene og reproduserbare spor, og angriper bare visse lag og beskytter andre med masker. Det er en teknikk som har gått hånd i hånd med den mest avanserte litografien for å multiplisere miniatyrisering.

Biologi og medisin: fra radiobiologi til hadronterapi

I biologi brukes ionestråler til å studere cellesignalering, intra- og ekstracellulær kommunikasjon og DNA-skade- og reparasjonskaskaden etter bestråling. Ved å «avfyre» ioner med kontrollert energi, kartlegging av biologiske responser med utsøkt romlig og dosimetrisk granularitet.

På den kliniske fronten, den hadronterapi Den bruker ioner som protoner, helium eller karbon for å angripe svulster. Dens største fordel er den såkalte Bragg-toppen: ionene De mister lite energi i starten og slippe den plutselig ut på slutten av banen, akkurat der svulsten er, noe som minimerer skade på friskt vev. Dette er spesielt verdifullt i nærheten av sensitive organer. som hjerne, ryggmargen eller prostata.

Et team fra Universitetet i Alicante har jobbet i årevis med avanserte modeller for å optimalisere denne behandlingen og har utviklet koden. SEICS (Simulering av energiske ioner og klynger gjennom faste stoffer)Denne programvaren følger prosjektilbaner i biologiske materialer (som DNA, proteiner eller flytende vann) og beregner relevante størrelser på interaksjonen. Blant andre prestasjoner har de oppnådd radial energifordeling av protonstråler, nært knyttet til presisjonen av tumorskade. Den ligger under en millimeter, et tall som demonstrerer teknikkens finesse.

I dag finnes det i verden av orden av seksti hadronterapisentreDe er komplekse og dyre anlegg fordi de krever synkrotroner eller tilsvarende utstyr for å akselerere protoner eller karbonioner, men teknologiske fremskritt forventes å gradvis bli billigere utplasseringen. Parallelt er protoner og andre ioner essensielle for å produsere radioisotoper som brukes i både diagnostiske og terapeutiske radiofarmasøytiske legemidler.

Elektroner og røntgenstråler: den nære slektningen

Parallelt med ionestrålene, elektronstråler spiller en betydelig rolle. De genereres i spesifikke akseleratorer og brukes til å produsere røntgenstråler som har som mål å bestråle svulster og ødelegge kreftceller. I næringsmiddelindustrien Elektroner eller røntgenstråler brukes til å desinfisere mat og eliminere farlige bakterier, uten å forringe den organoleptiske kvaliteten eller næringsverdien.

Som du kan se, er verdenen av ladede stråler (ioner og elektroner) bred og komplementær. Valget av «prosjektil» avhenger av påføring, dosering og dybde av nødvendig handling.

Elektrisk fremdrift i rommet

De samme prinsippene som styrer en bjelke i et laboratorium gjelder for ionfremdrift i rommetIon- eller plasmamotorer skyter ut ioner med svært høy hastighet for å produsere svært effektiv skyvekraft. Når strålen lades, en elektronnøytralisator for å forhindre at skipet blir ladet og for å holde eksosen kollimert. Denne teknologien finnes i satellitter og interplanetariske sonder, der drivstofføkonomien utgjør forskjellen.

Planetarisk forsvar med ionestråler: å skyve en asteroide

Blant de tusenvis av NEO-er (nærjordiske objekter) er en brøkdel potensielt farlige asteroiderDen virkelige risikoen, hvis man ser bort fra de allerede nesten katalogiserte store, ligger i kroppene mellom 50 og 400 meter, mest sannsynlig mellom 50 og 150 m. Deres natur er variert: noen er monolitter, mange er «hauger med ruiner» der en kinetisk påvirkning kan ha effekter som er vanskelige å forutsi.

I tillegg til kinetiske eller atomavskjæringsrakett, eller gravitasjonstraktoren, finnes det en annen elegant idé: bruke en ionestråle som en «asteroideskyver»Sonden peker strålen mot overflaten; ionene overføres lineært momentum Basert på kollisjoner og opprettholdt i måneder eller år, kan den akkumulerte endringen i bane være nok til å unngå treff med jorden. Den store fordelen er at Det avhenger ikke av om asteroiden er solid eller en haug med fragmenter., og skyvekraften kan rettes i den mest effektive retningen til enhver tid.

Dette konseptet har praktiske krav. Et skip med kraftige ionemotorer (i størrelsesorden 50–100 kW)For å holde seg «på nivå» med asteroiden brukes to motorer med lignende kraft som peker i motsatte retninger: den ene skyver asteroiden, den andre kompenserer for rekyl fra sonden. Den bør plasseres mer enn tre radier av asteroiden slik at tap på grunn av gravitasjonskraft faller under 1 %. Og bjelken bør ha en divergens nær 10° å dekke målet uten å «miste» materiale utenfor. Dette favoriserer gitter-ionemotorer (lav dispersjon) fremfor mange Hall-motorer, som vanligvis gir mer åpne stråler.

Innen konseptuelle oppdrag har John Brophy (JPL) foreslått å avlede asteroiden 2004 JN1 med en sonde på omtrent et tonn, med noen 68 kg xenon som drivmiddel. Designet inkluderer solcellepaneler som kan generere ~2,9 kW ved forventet solavstand og et sett med tolv plasmamotorer, hvorav to ville operere kontinuerlig under manøveren. Utfordringen er å opprettholde sikte og nøyaktighet. relativ sesong i møte med forstyrrelser, noe som ikke er trivielt. Hvis varslingsperioden er tilstrekkelig (i størrelsesorden fem år eller mer) og størrelsen på objektet er rundt 50–100 moh, teknikken passer veldig bra. I scenarier med liten margin eller med andre størrelser, en DART-type kinetisk nedslagslegeme kan forbli det mest pragmatiske alternativet.

Ultrakalde stråler og lyse kilder: laserkjølte atomer

En annen front med god projeksjon er de «lyse» kildene basert på ultrakalde atomerTakket være laserkjøling og -fangst (Nobelprisvinnere i 1997 og 2001) er det mulig å redusere atomenes termiske hastighet drastisk og kontrollere oppførselen dinDet europeiske COLDBEAMS-prosjektet samlet eksperter på fokuserte ionestråler og ultrakalde nøytrale atomer for å utvikle nye kilder til ioner og elektroner fra laserkjølte atomer.

Det mest slående resultatet var en veldig lyssterk kollimert stråle av cesiumatomer avkjølt i en magneto-optisk felle, noe som viser at en monokromatisk ionestråle med høy lysstyrke egnet for mikroskopi, avbildning og nanoskalagravering. De åpnet også døren for produksjon pakker med ioner med en definert ladning og kontrollert dynamikk, som lover fremskritt fra fysikk til kjemi og biologi. En del av disse resultatene ble publisert i Physical Review A, og konsoliderte tilnærmingen som fremtidig vei for fokuserte stråler.

Planteforedling og miljøapplikasjoner

I landbruket brukes ionestråler til indusere kontrollerte mutasjoner i plantemateriale og frøplanter, noe som akselererer naturlige evolusjonære prosesser. Målet er å oppnå mer produktive eller resistente avlinger til sykdommer og tørke. Det er en utvidelse av DNA-modifisering for praktiske formål og har en direkte innvirkning på matsikkerheten.

Innen miljøfeltet tillater de analytiske teknikkene som diskuteres spore opprinnelsen til fine aerosoler i luften eller sedimenter i vann, nøkkelen til å utforme tiltak for luftkvalitet og forurensningskontroll. Spor i mat overvåkes også. og distribusjonskart over kritiske elementer i biologisk vev utvikles, med kobling til folkehelsen.

Infrastruktur og opplæring: IAEAs rolle

Det internasjonale samfunnet har gjort en innsats for å fremme tilgang til disse teknologiene. IAEA planlegger en installasjon av tandem-ionstråle toppmoderne anlegg i Seibersdorf, Østerrike, kjent som IBF. Det vil støtte forskning, opplæring og opplæring av spesialister i en rekke bruksområder, inkludert produksjon av sekundære partikler (nøytroner) for avanserte studier.

For å huse akseleratoren, dens infrastruktur og tilhørende instrumenter, har byrået anslått en finansiering på rundt 4,6 millioner euroI tillegg opprettholder den en Kunnskapsportal om akseleratorer med lister over ionestråleanlegg rundt om i verden, som legger til rette for synergier, praksisplasser og samarbeidsprosjekter mellom land.

Ionstråler har gått fra å være en fysikk-kuriositet til å bli en tverrsnittsverktøykasse som forbinder elementæranalyse, avbildning, nanoskalamodifisering, høypresisjons kreftbehandlinger, romdrift og planetforsvar. Økosystemet kompletteres med elektronstråler for medisinsk stråling og matsterilisering, og med ultrakalde kilder som lover neste generasjon av lyse strålerÉn ting er klart, og det er at virkningen vil fortsette å øke, fordi få teknologier klarer å dekke så mye, med et slikt kontrollnivå og med så målbare resultater.

Relatert artikkel:

Romstasjoner: Hva er de og hvordan hjelper de oss med å utforske verdensrommet?