Megújul az európai röntgenkutatás

Jelentős modernizálásra készülnek az Európai Szinkrotronsugárzási Központban: a következő hét évben 177 millió eurós befektetéssel felújítják és továbbfejlesztik az 1992 óta működő kutatási nagyberendezést. Magyar kutatók 1995 óta végeznek kutatásokat az intézményben. A röntgensugárzás a fizikai, kémiai, biológiai kutatások széles körben alkalmazott eszköze, de nélkülözhetetlen például a mikroelektronikai és a gyógyszeripari fejlesztők számára is, és alkalmazásra talál a földtudományokban, sőt akár régi festmények vagy kódexek vizsgálatában.

Az Európai Szinkrotronsugárzási Központ (European Synchrotron Radiation Facility, ESRF - Grenoble, Franciaország) nevében szereplő szinkrotron a kísérleti mag- és részecskefizika régi bevált eszköze, egy hagyományos részecskegyorsító. Az ESRF-ben végzett kutatások azonban nem a mag- és részecskefizikához tartoznak, mivel nem a gyorsított részecskét, hanem a részecske által kibocsátott "fényt", a létrehozott fotonokat hasznosítják.

A 844 méter kerületű gyorsítóban a fénysebességet megközelítő sebességre felgyorsított, de elektromágnesekkel zárt pályára kényszerített elektronok az eltérítő mágneseken, illetve különlegesen kialakított mágneses terű, sugárzáskeltő eszközökön (úgynevezett wigglereken és undulátorokon) történő áthaladásuk során elektromágneses sugárzást, vagyis fotonokat bocsátanak ki. Az elektronokat egyre nagyobb energiákra gyorsítva, a sugárzás az egyre rövidebb hullámhosszak felé tolódik el.

Az ESRF a legnagyobb energiájú szinkrotronok közé tartozik; elsősorban nagy energiájú ("kemény") röntgennyalábok előállítására használják. A szinkrotronokkal rendkívül intenzív, igen kis helyre koncentrált, nagymértékben párhuzamosított és még néhány további, különleges tulajdonsággal rendelkező röntgennyaláb állítható elő, ami a gyakorlati alkalmazások igen széles körét teszi elérhetővé. Ezért a vizsgálatokat nagyon kis mennyiségű anyagon, általában rövid idő alatt lehet elvégezni. Ez olyan kutatásokat tesz lehetővé, amelyekre semmilyen más módon nem nyílna lehetőség.

A röntgensugárzás a fizikai, kémiai, biológiai kutatások széles körben alkalmazott eszköze, de nélkülözhetetlen pl. a mikroelektronikai és a gyógyszeripari fejlesztők számára is, és alkalmazásra talál a földtudományokban, sőt akár régi festmények vagy kódexek vizsgálatában is. Az egyik nagy hírügynökség a napokban felidézte, hogy milyen kutatási eredményekről adott hírt idén a grenoble-i szinkrotronsugárzási kutatóközpontból: fosszilizálódott gyantában megőrződött ősi rovarok lefényképezése, könnyebb repülőgépmotorok építését lehetővé tevő új fémötvözet tulajdonságainak feltárása, a gyümölcsrothadás folyamatának nyomon követése, jobb tárolási lehetőségek feltárása. Vitathatatlanul színes a kép, a szinkrotron sok tudományág előrehaladását segíti.

Orvosi vizsgálat során mindenki találkozott már röntgengéppel; ott az a cél, hogy a minimális sugárterheléssel végezhessék el a vizsgálatokat. Sokféle kutatási célra viszont nagyon intenzív röntgensugárzásra van szükség, ezért kell a nagy, bonyolult és drága részecskegyorsító. A grenoble-i szinkrotronból billiószor (ezermilliárdszor) erősebb röntgensugárzás lép ki, mint egy hagyományos röntgencsőből.

Nagy és drága kísérleti eszközt csak kevés ország építhet önállóan, ezért alakult ki a "big science" más területeihez hasonlóan itt is a nemzetközi összefogás. Az intézet létrehozásáról 1987-ben döntött tíz nyugat-európai ország (Franciaország, az NSZK, Olaszország, az Egyesült Királyság, Spanyolország, Svájc, Dánia, Finnország, Norvégia és Svédország); az építési költségek közel 3 milliárd francia frankra rúgtak.

Az új kutatóközpont a grenoble-i Laue-Langevin Intézet mellett jött létre, ez az eredetileg francia-német, de ma már szintén nemzetközi intézet elsősorban igen nagy neutronfluxusú atomreaktoráról, az ott folyó kutatásokról ismert. Az ESRF építését 1990-ben kezdték meg, 1992-ben végezték az első, próbajellegű kísérleteket, és a berendezés 1994 óta áll a nemzetközi kutatóközösség rendelkezésére.

A mérési időt, a kutatási lehetőségeket lényegében a tagországoknak a költségvetéshez való hozzájárulása arányában osztják fel. A kutatási terveket, javaslatokat nemzetközi zsűrik bírálják el, így az ESRF tagországokból is csak a legjobb javaslatok valósulhatnak meg. Az első magyar kutatási tervek megvalósításához 1990-es évek közepén kezdtek hozzá.

A legelső magyar érdekeltségű kísérlet Ungár Tamás, az Eötvös Loránd Tudományegyetem Anyagfizikai Tanszékének professzora és munkatársai nevéhez fűződik: 1995-ben az ESRF BM5-ös nyalábcsatornáján a röntgennyalábot 2 µm széles és 20 µm magas méretre fókuszálták, ami lehetővé tette egy Ni-alapú szuperötvözet mikroszerkezeti inhomogenitásainak (ún. pásztázó mikroelhajlási) vizsgálatát. A kísérleten részt vett a korábban a KFKI-ban kandidátusi fokozatot szerzett Kocsis Menyhért is, aki jelenleg is az ESRF munkatársa. Az MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet kutatócsoportja Nagy Dénes Lajos professzor vezetésével olyan módszert fejlesztett ki, amely a szinkrotronsugárzás segítségével képes néhány atomnyi vastag rétegekben a különféle vasvegyületeket egymástól megkülönböztetni és azok egyes tulajdonságait vizsgálni. Az MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézetéből Faigel Gyula akadémikus és Tegze Miklós az általuk kifejlesztett atomi felbontású röntgenholográfiát valósították meg szinkrotronsugárzással az ESRF-nél.

1990-ben Berényi Dénes akadémikus vezetésével Magyar Szinkrotron Bizottságot hoztak létre az különféle szinkrotronok mellett folyó kutatások összehangolására, valamint az ESRF-csatlakozás előkészítésére. Nagy Dénes Lajos a bizottság tagjaként, majd 1998-től pedig elnökeként a kapcsolatok szorosabbra fűzésének motorja volt.

Magyarország nevében 2000-ben az akkori Oktatási Minisztérium írt alá egy, később az MTA által átvett, majd folyamatosan megújított megállapodást az ESRF-fel; hozzájárulásunk az intézmény költségvetésének 0,20 %-át tette ki. Hazai egyetemeken, kutatóintézetekben ekkor már tíznél több kutatócsoport foglalkozott a szinkrotronsugárzás alkalmazásaival. A 2006-7 években a magyar kutatók az ESRF nyalábidejének már több mint 0,30 %-át vették igénybe. Továbbra sem vagyunk ugyan az ESRF teljes jogú, tulajdonosi státusszal bíró tagjai, de a kapcsolatokban jelentős előrelépés történt.

2008 júniusában létrejött a Centralsync konzorcium, amely Csehország, Magyarország és Szlovákia szinkrotronos kutatóit képviseli. Részvételünk a társult tagsági jogú konzorciumban kölcsönösen hosszú távú garanciát jelent az ESRF használatára; a kutatók a teljes jogú tagországok kutatóival azonos feltételekkel jutnak mérési lehetőséghez, az ESFR Tanácsában és más bizottságokban pedig a konzorcium megfigyelői státuszt kapott. Magyarország ma az ESRF költségvetésének 0,25 %-át viseli.

Magyar kutatók az elmúlt néhány évben is értek el olyan eredményeket az ESRF-ben, amelyekre világszerte felfigyeltek, és amelyek a legrangosabb nemzetközi folyóiratokban, illetve az ESRF legkiemelkedőbb eredményeit bemutató "ESRF Highlights" című kiadványban kerültek közlésre. Ezek közül említünk néhányat.

Egy AlPdMn kvázikristály hologramja

Faigel Gyula, Tegze Miklós és munkatársaik az MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézetéből az anyagok egy új családjára, a "kvázikristályokra" alkalmazták a röntgenholográfia általuk kifejlesztett módszerét. A kvázikristályok a jövő, sőt részben már a jelen ígéretes anyagai; belőlük nagy keménységű, jó hőszigetelésű, korrózióálló, kis súrlódású bevonatok készíthetők. Ezekben az anyagokban az atomok rövid távon ugyan szigorú rendben helyezkednek el, de ez a rend nem engedi meg, hogy abból valódi kristályok (amelyek legtöbb szerkezeti anyagunk alapját képezik) kialakulhassanak.

Rekonstruált atomi pozíciók

Az atomi szerkezet-meghatározás legelterjedtebb módszere a röntgensugarak kristályokon történő elhajlásán alapul. Az elhajlás ugyan kvázikristályokban is fellép, a kapott elhajlási kép általában mégis alkalmatlan a kvázikristályos anyagok szerkezetének felderítésére, vagyis az egyes atomi pozíciók meghatározására. A röntgenholográfia viszont ilyen esetekben is egyszerű módon működik; az említett kutatócsoport éppen ezt demonstrálta az ESRF-ben.