Uno spettrometro pionieristico per i raggi X duri all'European XFEL
"Il nuovo spettrometro apre possibilità spettroscopiche completamente nuove alle alte energie dei raggi X"
I ricercatori dell'European XFEL hanno sviluppato un nuovo dispositivo per la misurazione dei raggi X ad alte energie di fotoni, il cosiddetto spettrometro di Laue. Esso consente di rilevare la luce dei raggi X con energie di fotoni superiori a 15 kiloelettronvolt con una migliore efficienza e la massima precisione. Questo è importante per la ricerca di materiali tecnicamente importanti che, ad esempio, trasportano l'elettricità senza perdite o assicurano un funzionamento più efficiente dei processi chimici.
A differenza dei normali spettrometri, il nuovo spettrometro Laue diffrange i fasci di raggi X (frecce rosse) da strati atomici perpendicolari alla superficie.
© European XFEL
Per svelare i segreti del mondo degli atomi, delle molecole e dei materiali in generale, gli scienziati utilizzano spesso speciali dispositivi di misurazione noti come spettrometri. Essi funzionano registrando la luce emessa dagli oggetti. Dal modo in cui gli oggetti lo fanno, i ricercatori imparano molto sui processi fisici che avvengono nei materiali. Particolarmente rivelatrice è la ricerca con la luce a raggi X, che penetra in profondità nella materia e fornisce informazioni specifiche per ogni specie atomica. Questa luce è invisibile ai nostri occhi, ma può essere rilevata e misurata con speciali spettrometri.
I componenti principali di questi dispositivi sono solitamente cristalli di silicio o germanio tagliati con estrema precisione. Tradizionalmente, gli spettrometri a raggi X funzionano secondo la cosiddetta geometria di Bragg: La luce dei raggi X colpisce il cristallo e viene diffratta dai piani atomici paralleli alla superficie, come gli specchi riflettono la luce visibile. Dalla direzione e dall'intensità della radiazione diffusa, i ricercatori possono trarre conclusioni sulle proprietà elettroniche dei materiali che stanno analizzando.
Una caratteristica unica dell'XFEL europeo è la capacità di fornire luce a raggi X con un'energia molto elevata. Tuttavia, con l'aumentare dell'energia dei raggi X, l'interazione con i cristalli si riduce, rendendo le misure difficili. In questo regime di alta energia dei fotoni, una gran parte della luce dei raggi X passa semplicemente attraverso il cristallo inutilizzato, motivo per cui le prestazioni degli spettrometri a raggi X che utilizzano questi analizzatori, noti come spettrometri di Johann o di Von Hamos, diminuiscono rapidamente con l'aumentare dell'energia dei raggi X. Di solito funzionano bene solo fino a un'energia dei fotoni di circa 15 kiloelettronvolt (keV).
I ricercatori dello strumento FXE dell'European XFEL hanno ora sviluppato un nuovo spettrometro per ottenere risultati significativi anche a energie ben superiori a 15 keV. Funziona nella cosiddetta geometria di Laue. Ciò significa che i raggi X attraversano il cristallo e vengono diffratti da strati atomici perpendicolari alla superficie. Più alta è l'energia dei raggi X, più efficiente è il funzionamento dell'analizzatore di Laue. "Il nostro design ottimizzato, con una curvatura fissa e un raggio di curvatura ridotto, consente di ottenere analizzatori privi di distorsioni superficiali degne di nota, semplificando notevolmente l'impostazione e la misurazione con lo spettrometro Laue", afferma Frederico Lima, scienziato dello strumento FXE. Le prestazioni di questo spettrometro superano di gran lunga i progetti precedenti con analizzatori Laue a curvatura dinamica.
Il nuovo dispositivo chiamato High Energy Laue X-ray Emission Spectrometer (HELIOS) è ora installato e disponibile per tutti gli utenti dell'European XFEL. Fornisce una precisione estremamente elevata di circa 1,2 x 10-4 a un'energia di fotoni di circa 18,6 keV. Rispetto agli spettrometri convenzionali, raggiunge un'intensità di segnale da 4 a 22 volte superiore. Ciò consente di rilevare transizioni elettroniche particolarmente interessanti nei cosiddetti metalli di transizione 4d, altrimenti molto difficili da misurare. I metalli di transizione 4d comprendono elementi tecnicamente importanti come niobio, molibdeno, rutenio, palladio e argento.
"Il nuovo spettrometro apre possibilità spettroscopiche completamente nuove ad alte energie di raggi X, possibili solo presso l'XFEL europeo", spiega Lima. Tra gli esempi vi sono la misurazione delle proprietà fotocatalitiche delle nanoparticelle contenenti metalli 4d, la ricerca sulla sensibilizzazione dei coloranti per le applicazioni delle celle solari e lo studio di materiali fortemente correlati che potrebbero essere utilizzati come superconduttori o come catodi o anodi di batterie per un efficiente stoccaggio dell'energia.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
X. Huang, Y. Uemura, F. Ardana-Lamas, P. Frankenberger, M. Knoll, H. Yousef, H. Wang, S. Heder, M. Nachtegaal, G. Smolentsev, L. Wang, L. F. Zhu, C. Milne, F.A. Lima; "A high-energy Laue X-ray emission spectrometer at the FXE instrument at the European XFEL"; Journal of Synchrotron Radiation, Volume 32, 2025-3-31
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