Nr. 4/2005


  



Ülemaailmne füüsika aasta
Röntgenikiirgus aatomit puurimas

Horisondi eelmises numbris oli juttu sünkrotronkiirgusest. Seekord võtame vaatluse alla sünkrotronkiirguse kasutusalad. Alustuseks meenutame, et sünkrotronkiirgus on tavaline elektromagnetkiirgus, mille kõige pikalainelisem alaliik on raadiolained, lainepikkuse kahanedes järgnevad mikrolained, infrapunakiirgus, nähtav valgus, ultraviolett-, röntgeni- ja gammakiirgus. Sünkrotronidelt saadav kiirgus katab sellest skaalast suure osa – infrapunasest kuni röntgenikiirguseni.

Lainepikkuste skaala silmaga tajutavas osas ja sellele lähedastes spektripiirkondades on nüüdisajal kõige levinumateks intensiivse valguse allikateks laserid. Seetõttu kasutatakse selles vahemikus sünkrotronkiirgust üsna vähe. See sobib rohkem ultraviolett- ja röntgenikiirguse saamiseks, kuna nendes spektripiirkondades on sünkrotronkiirguse eredus oluliselt suurem kui teiste kiirgusallikate puhul.

Rõntgenikiirgus – sünkrotronide pärusmaa

Võib julgesti öelda, et suur osa tänapäevastest teadusuuringutest röntgendiapasoonis tehakse sünkrotronkiirguse abil. Seepärast kontsentreerumegi käesolevas artiklis põhiliselt röntgenikiirgusele, milleks kõige laiemas mõttes loetakse kiirgust footoni energiaga 100 eV kuni 100 keV (vastavalt lainepikkusega 12 nm–0,012 nm). See energiapiirkond jaguneb omakorda kaheks. Footoneid energiaga 100 eV kuni 10 keV (lainepikkus 12–0,12 nm) nimetatakse pehmeks röntgenikiirguseks, mis tuleneb sellest, et selline kiirgus neeldub tugevasti õhus. Tihti vaadeldakse pehmet röntgenikiirgust koos ultraviolettkiirgusega (footoni energia alates 10 eV) ja nimetatakse sel juhul vaakumultraviolettkiirguseks. Ka see nimetus rõhutab otseselt asjaolu, et selline kiirgus neeldub väga tugevalt õhus, ning seetõttu tuleb uuringutes tekitada seadmesse vaakum. Footoneid, mille energiad on suuremad kui 10 keV, nimetatakse kalgiks röntgenikiirguseks, sest need läbivad hästi mitmesuguseid materjale, ning nendega töötamiseks ei ole vaja vaakumit.


Röntgenist röntgenlaserini

Teatavasti avastas röntgenikiirguse sakslane Wilhem Conrad Röntgen aastal 1895 ja juba aastal 1901 tunnustati seda avastust Nobeli preemiaga. Tema sai üldse esimese Nobeli füüsikaauhinna. Äsjaavastatud kiirgusliik leidis väga kiiresti kasutuse meditsiinis. Möödunud sajandi kahekümnendate aastateni oli röntgenikiirgus küll rohkem ise uurimisobjektiks. Alles hiljem hakati seda kasutama uuringutes. Sest juhtus ju nii, et kuni 1930. aastateni jagati röntgenikiirte uurimisega seotud Nobeli preemiaid vaid füüsika alal ja pärast seda on röntgenikiirguse abil tehtud uuringute eest antud Nobeli preemiaid juba keemia ning füsioloogia ja meditsiini valdkonnas. Seega ei ole röntgenikiirgus tänapäeval mitte ainult füüsikute uurimisvahend, vaid omandab üha suuremat kaalu ka keemia- ja bioloogiaalastes uuringutes. Rääkimata muidugi meedikutest, kelle igapäevategevust röntgeniaparaatide ja tomograafideta on tänapäeval võimatu ette kujutada.

Ka sünkrotronkiirguse olemasolu ennustati teoreetiliselt juba 19. sajandi lõpus. Näidati, et kiirendusega liikuvad laengud kiirgavad. Eksperimentaalselt vaadeldi sünkrotronkiirgust esmakordselt 1946. Kümme aastat hiljem näidati, et sünkrotronkiirgust saab kasutada füüsikalistes uuringutes ultraviolettkiirguse ja pehme röntgenikiirguse diapasoonis, süstemaatilisi uuringuid alustati 1960. aastate algul. 1968 ehitati Washingtonis esimene sünkrotron SURF-1 täielikult uuringute tarbeks ning 1976 hakkas tööle esimene ainult kiirguse saamiseks projekteeritud keskus INS-SOR Jaapanis. Sellest ajast on maailmas ehitatud poolsada spetsiaalset sünkrotroni, mida kasutatakse ainult kiirgusallikana. 1970. aastal kasutati sünkrotronkiirgust esmakordselt biomolekulide struktuuri uurimiseks Saksamaal. Praeguseks ajaks on juba töötamas esimesed sünkrotronidel põhinevad röntgenlaserid (vt eelmine Horisont). Esimese Eesti füüsikuna rakendas sünkrotronkiirgust oma uuringutes Mart Elango aastal 1969 Ameerika Ühendriikides. Hiljem on Eesti füüsikud kasutanud sünkrotronkiirgust väga mitmetes maailma keskustes, praegusel ajal kõige aktiivsemalt MAX-laboris Lundis ja HASYLAB-is Saksamaal (vt käesoleva aasta Horisonti nr 1 ja 2).


Tüüpiline kiirekanal

Nagu eelmises Horisondis öeldud, nimetatakse sünkrotronkiirguse kasutamiseks vajalikku seadmekompleksi kiirekanaliks. Tüüpilise kiirekanali skeemilt on näha, et kvandid koondatakse kogujaringist eelpeegliga röntgenikiirguse monokromaatorisse. Monokromaatori ülesandeks on laiast sünkrotronkiirguse pidevspektrist välja eraldada kindla energiaga footonid samamoodi, nagu seda nähtava valguse jaoks teeb prisma või looduses vihmapiisad vikerkaare moodustumisel. Tavaliselt koosneb monokromaator fokuseerivast peeglist, difraktsioonivõrest ja väljundpilust. Peeglite ülesandeks on koondada kiirgus ja suunata see difraktsioonivõrele. Viimane omakorda suunab mitmesuguse energiaga footonid erinevatesse suundadesse. Väljundpilu abil selekteeritakse vajaliku energiaga footonid, mis veel ühe peegli abil fokuseeritakse uuritavale objektile. Kalgi röntgenikiirguse korral täidab difraktsioonivõre rolli spetsiaalne kristall, millest ka nimetus kristallmonokromaator. Kiirekanali väljundpeegli taga asub eksperimendiseade, mis tavaliselt on vahetatav. See tähendab, et üht kiirekanalit kasutatakse mitmekesiste ülesannete lahendamiseks. Skeemil näidatud katseseadmes uuritakse röntgenikiirguse mõjul tekkinud fotoelektronide energiaspektreid. Selleks suunatakse elektronid elektronoptilise läätse abil energiaanalüsaatorisse, mis analoogselt kiirguse monokromaatoriga valib elektronide hulgast välja kindla energiaga elektronid ja suunab nad elektronide detektorile. Detektorist saadav signaal võimendatakse ja jõuab lõpuks andmekogumisarvutisse. Ka monokromaatorit juhitakse arvutiga. Kogu see seadmetekompleks koosneb kõrgvaakumsüsteemi osadest, mis on koguriga ühendatud ja üksteisest eraldatud vaakumklappidega.


Röntgenikiirguse vastastikmõju ainega

Kui röntgenikiirguse footon põrkub ainega, siis ta võib jätkata oma teed, muutes ainult liikumissuunda. Niisugusel juhul on tegemist röntgenikiirguse hajumisega (vt joonist). Kui röntgenfooton põrkub ainega nii, et tema energia ei muutu, siis on tegu elastse hajumisega – umbes samamoodi, nagu hästi hüppava elastse palli põrkumisel. Säärane footon ei muuda aines midagi, avaldamata sellele ei kahjulikku ega ka tema mikrostruktuuri purustavat mõju. Küll aga saab kristallist väljunud kiirguse intensiivsuse ja ruumilise jaotuse järgi välja arvutada kristalli struktuuri. Sellise uurimisviisi nimi on röntgendifraktsioonanalüüs ja seda kasutatakse väga mitmesuguste korrastatud struktuuriga objektide tundmaõppimiseks.

Meetodi aluseks on asjaolu, et röntgenikiirgus hajub kristalli aatomitel ja niisuguse protsessi käigus iga aatom kiirgab röntgenfootoneid erinevates suundades. Kuna aatomid kristallis on perioodiliselt paigutatud, siis need lained interfereeruvad, andes mõnedes suundades tugevama kiirguse, samal ajal teisal kiirgust hoopiski kustutades. Tekkivat täppide mustrit nimetatakse difraktsioonipildiks ja see peegeldab kaudselt aatomite paigutust kristallis. Kui mõõta difraktsioonipilti mitmetest suundadest, saab välja arvutada aatomite jaotuse kristallis ruumiliselt. Niiviisi uuritakse keerukaid biomolekule, mis osalevad organismide elutalitluses, samuti ka mitmesuguseid ravimeid. Selliseid uuringuid tehakse sünkrotronikeskustes väga palju. Näiteks Euroopa molekulaarbioloogia laboratooriumi hooned asuvad nii Hamburgis kui ka Grenoble’is otse sünkrotroni vahetus läheduses.


Pilk aatomi sisse

Röntgenikiirguse hajumise tõenäosus on suhteliselt väike, enamasti realiseerub teine, levinum võimalus: röntgenfooton neeldub aines, st ta lakkab aatomiga põrkumise järel olemast. Röntgenikiirguse neeldumisel aines viiakse üks elektron mõnest aatomi elektronkihist välja, kas põhiolekus täitmata elektronseisunditesse või hoopis aatomist eemale. Niiviisi jääb aatomi elektronkatetesse üks tühi, elektroni poolt täitmata koht, mida füüsikud nimetavad auguks. Röntgenneeldumise tõttu aatomist eemaldatud elektroni puhul on meil tegemist juba koolifüüsikast tuntud ning Albert Einsteini poolt selgitatud fotoefektiga, ainult selle eripäraga, et tänu röntgenfootoni suurele energiale saab aatomist välja viia ka sisemiste elektronkatete elektrone. Kuna aatomist viidi röntgenneeldumise käigus välja vähemalt üks elektron, siis muutub aatom positiivseks iooniks ning sellist protsessi nimetatakse ka ioniseerimiseks.

Igal aatomil on talle iseloomulik elektronkatete struktuur, mille energiatasemeid iseloomustatakse elektronide seoseenergiaga. See on energia, mis on vajalik vaadeldava elektronkihi ioniseerimiseks, st selle elektronkihi elektroni eemaldamiseks aatomist. Neid elektrone, mis asuvad aatomi välistes elektronkatetes, tuntakse kui valentselektrone, kuna nad osalevad keemilise sideme loomisel. Nende seoseenergiad on kuni 10 eV, seega on nad kättesaadavad nähtavale valgusele ja ultraviolettkiirgusele. Kui elektroni seoseenergia on mainitust suurem, on üldjuhul tegemist sisemise elektronkattega ja temast väljaspool on veel mõni teine elektronkate. Enamiku aatomite sisemiste elektronkatete seoseenergia langeb ultraviolett- või röntgenikiirguse footonite energiaalasse. Seetõttu ongi röntgenikiirgus leidnud laialdast kasutamist just aatomite sisemiste elektronkatete uurimisel.


Kristallide koostise määramine

Kui uurimiseks kasutatav röntgenikiirguse footoni energia on väiksem mõne elektronkatte seoseenergiast, siis see kiirgus neeldub nõrgalt. Kui aga footoni energia ületab selle kihi seoseenergia, siis röntgenikiirguse neeldumine kasvab hüppeliselt. Füüsikud nimetavad seda neeldumisääreks. Nende tuvastamine annab informatsiooni aine keemilise koostise kohta. Seetõttu on röntgenikiirguse neeldumise mõõtmine tänapäeva füüsikute üheks oluliseks uurimisvõtteks.

Röntgenikiirguse neeldumiskoefitsiendi sõltuvust ergastava kiirguse lainepikkusest nimetatakse röntgenneeldumisspektriks. Kuna seoseenergiad on aatomile iseloomulikud, siis on ka röntgenneeldumisäärte energiad iseloomulikud aatomile, milles toimub neeldumine. Laias laastus võib jagada röntgenneeldumisspektri kaheks – äärelähedane (mõnikümmend eV neeldumisäärest) osa on tugevalt mõjustatud lähiümbruse keemilisest sidemest ning annab selle kohta informatsiooni, kaugem osa aga on mõjustatud aatomite jaotusest neeldumiskoha ümbruses ning selle analüüs võimaldab välja arvutada aatomitevahelised kaugused kristallis.

Röntgenfootoni neeldumisel tekkinud elektroni energia on määratud ergastavate footonite energia (hν) ja vastava elektronkatte elektroni seoseenergia (Ei) vahega (Ee=hν - Ei). Kuna seoseenergiad on konkreetsetele aatomitele iseloomulikud, siis kiiritades ainet kindla energiaga footonitega, saab määrata, missugustest aatomitest aine koosneb. Säärane laialt kasutatav uurimisviis, seda nii laborites kui ka sünkrotronkiirguse keskustes, kannab fotoelektronspektroskoopia nimetust. Veelgi enam, fotoelektronide energia sõltub ka sellest, missugune on aatomi lähiümbrus, täpsemalt – missugustes keemilistes sidemetes aatom osaleb. Seetõttu kasutatakse seda ka keemilise sideme uurimiseks, seega mitmesuguste materjalide ning nendes toimuvate protsesside jälgimisel.

Pärast röntgenikiirguse neeldumist jääb aatomis üks sisemise elektronkatte elektroni koht vabaks – tekib sisekihi auk. Auk on lihtsalt tühi koht elektroni jaoks, aga loodus ei sallivat tühja kohta, ja seega tuleb auk aatomis kuidagi likvideerida. Kui auk asub sisemises elektronkattes, siis on tema täitumiseks kaks võimalust. Esimese, tõenäolisema võimalusena täidab augu elektron mõnest väiksema seoseenergiga elektronkihist ja vabanev energia antakse üle teisele elektronile, mis lahkub aatomist. Sellist protsessi nimetatakse Auger’ efektiks (tema avastaja prantslase Pierre Auger’ auks) ja Auger’ elektrone uurivat elektronspektroskoopia alajaotust Auger’ spektroskoopiaks.

Teise võimalusena tekitatakse augu täitmisel vabaneva energia arvel uus (röntgen)footon, mis lahkub aatomist. Sellist kiirgust nimetatakse karakteristlikuks röntgenikiirguseks (Nobeli preemia 1917) ja kogu protsessi röntgenfluorestsentsiks ning vastava kiirguse uurimist röntgenfluorestsentsspektroskoopiaks.

Röntgenfootoni neeldumisel aines tekkinud foto- ja Auger’ elektronid ioniseerivad omakorda uuesti naaberaatomeid, tekitades samal ajal ainesse vabu elektrone. Sellised ioniseeritud aatomid võivad osaleda ka mitmesuguste defektide tekkes juhul, kui aatom lahkub oma kohalt molekulis või tahkises. Defektide moodustumine ongi röntgenikiirguse kahjuliku mõju põhjus elusorganismidele. On selge, et mida suurem on röntgenfootoni energia, seda rohkem elektronide ja aukude paare ta suudab tekitada, ning seda suurem on kahjustuste tekkimise tõenäosus elusaines.


Suund biomolekulide ja inimorganismi poole

Praegusajal on raskuspunkt ilmselt veel füüsikalistel ja keemilistel uuringutel, aga järjest rohkem kasutatakse sünkrotronkiirgust ka bioloogias. Kuigi omal ajal DNA struktuur tehti kindlaks ilma sünkrotronkiirguseta, on selle abil tehtavad röntgendifraktsiooni uuringud tänapäeval väga laialt kasutusel biomolekulide uurimisel, mistõttu need on väga vajalikud ka ravimifirmadele uute ravimite väljatöötamiseks. Seega võib ette näha bioloogiliste uuringute osatähtsuse kasvu jätkumist.

Oluliseks sisuliseks muutuseks sünkrotronkiirguse kasutamisel saab ilmselt röntgenlaserite kasutuselevõtuga juba alanud ülikiirete protsesside uurimine reaalajas. Esimesed katsed, uurimaks aatomite ümberpaiknemist tahkises faasisiirete käigus on juba tehtud. Võimsate röntgenlaserite impulsside puhul tekib küll mitmesuguseid lisaprobleeme – näiteks võib uuritav objekt väga kiiresti kahjustuda, sest kiirgus tekitab temas lühikese aja jooksul palju vabade elektronide ja aukude paare. Sellest aspektist võiks uue suunana ära märkida klastrite (aatomikobarate) uurimist.

Klastrid on säärased ainekogumid, mis koosnevad kümnetest, sadadest või tuhandetest aatomitest, seega jäävad nad oma suuruselt kusagile molekuli ja tahkise piirimaile. Seetõttu annab nende uurimine hea ettekujutuse tahkise moodustumisest ning röntgenikiirgusega indutseeritud protsesside kujunemisest tahkises. Näitena võiks tuua Saksa füüsikute uurimuse klastri lagunemisest röntgenlaseri impulsi mõjul. See illustreerib hästi ka probleeme, mis tekivad ülilühikeste suure intensiivsusega protsesside uurimisel. Nimelt tekitab röntgenlaseri ülilühike impulss aines lühikese aja jooksul palju vabade elektronide ja aukude paare, mis viivad tänu elektrilistele vastastikmõjudele, nn kulonilise plahvatuseni.

Kaugemas tulevikus võib loota ka sünkrotronkiirguse kasutuselevõttu meditsiiniuuringutes. Röntgenikiirguse laialdane kasutamine meditsiinis põhineb selle neeldumisel aines, sealhulgas inimkehas. Täpsemalt, see tugineb asjaolule, et inimese erinevad koed koosnevad erinevatest aatomitest, mis neelavad röntgenikiiri isemoodi. Seetõttu nõrgeneb näiteks luid läbinud kiirgus tugevamini, ja need jäävad röntgenipildil (ka see pilt muutub tänapäeval üha digitaalsemaks) heledamaks. Meditsiinis kasutatavad röntgenikiirguse allikad – röntgenitorud – kiirgavad footoneid laias energiadiapasoonis,

footoni energiaga 20–100 keV, kuid nende kiirguse intensiivsus pole piisav selle monokromatiseerimiseks, st kindla lainepikkusega röntgenikiirguse saamiseks Erinevalt röntgenitorust jätkub sünkrotronkiirguse korral selleks intensiivsust piisavalt. See aga võimaldabki kasutada sünkrotronkiirgust inimorganismi igakülgseks uurimiseks. Nimelt, valides footoni energiad nii, et ühel juhul on see väiksem, kui mingi elemendi seoseenergia ehk neeldumisäär, ja teisel juhul sellest suurem, tekib kaks pilti, mille võrdlemisel saadakse teavet näiteks mingi uuritava elemendi jaotusest inimkehas. Seni on mõnedes meditsiinikeskustes juba tehtud südameuuringuid sünkrotronkiirgusega (koronaarne angiograafia). Kuigi massilisteks meditsiiniuuringuteks on sünkrotron praegu veel liiga kallis ja uuringud keerulised, võib tehnika arenedes olukord peagi muutuda.


ARVO KIKAS (1958) on Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi laborijuhataja, füüsikadoktor.



Arvo Kikas


Ajakiri Horisont läbi aegade. PDF formaadis fail ~4 MB