Новосибирские физики исследуют микрообъекты при помощи синхротронного излучения

• 
• (слева направо) Алексей Петрожицкий, Александр Попов, Евгений Козырев

Группа учёных из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН развивает метод рентгеновской микротомографии, позволяющий детально рассмотреть внутреннюю структуру мельчайших объектов, не повреждая их. Он может представлять интерес для биологов, геологов и исследователей из других наук.

Конрад Вильям Рентген, открывший «икс» излучение, нашёл способ заглянуть внутрь непрозрачных для видимого света объектов и тем самым внёс существенный вклад в науку, а особенно в медицину. Однако обычные рентгеновские установки не имеют высокого пространственного разрешения. Если вы решите исследовать микрообъекты, то увидите лишь смазанное пятно. Новосибирские физики придумали, как решить эту проблему с помощью синхротронного излучения (СИ).

«Рентгеновское излучение обладает большой проникающей способностью. Распространяясь в веществе, оно в зависимости от плотности объекта с определенной вероятностью поглощается или рассеивается. Таким образом, регистрируя интенсивность прошедшего потока, можно получить информацию о распределении плотности внутри исследуемого образца. Проблема в том, что пока не существует дешевого и высокочувствительного прибора, непосредственно фиксирующего рентгеновский свет и обладающим высоким пространственным разрешением. Поэтому наиболее простой способ его зарегистрировать это излучение — конвертировать его в видимый диапазон, который потом фиксируется специальной фотокамерой», — рассказывает старший лаборант ИЯФ СО РАН Евгений Анатольевич Козырев.

От толщины сцинтиллятора (иначе — люминофора), отвечающего за это преобразование, во многом зависит точность получаемого изображения. «Для наблюдения маленьких объектов очень важно, чтобы он был тонкий и имел высокую эффективность, а также обладал структурой, не портившей пространственное разрешение», — объясняет старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Александр Сергеевич Попов.

Рентгеновское излучение после прохождения исследуемого объекта падает на сцинтиллятор и переизлучается в его объеме уже в видимом диапазоне. Если люминафор будет толстым, то изображение расплывется из-за рассеяния света. «Поэтому чтобы разглядеть микрообъекты, толщина сцинтиллятора должна быть малой, но достаточно толстой для эффективной регистрации рентгеновского излучения (в нашем случае 3 мкм)», — комментирует младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Алексей Валентинович Петрожицкий.

• 
• Тигель, в который помещен порошкообразный сцинтиллятор СsI(Tl). Тигель нагревается и сцинтиллятор испаряется

Одной из главных проблем является создание таких тонких пленок сцинтиллятора высокого качества. Исследователям из ИЯФ СО РАН удалось решить её с помощью специально разработанной технологии.

«Цезий-йод, активированный таллием, при нагреве выше температуры плавления, испаряется и оседает на специальной подложке. Искусство состоит в том, чтобы правильно подобрать режим, позволяющий напылять очень тонкие и равномерные плёнки, — комментирует Александр Попов. — На сегодняшний день для тонких сцинтилляторов эта методика уже практически отработана, и ожидать каких-то кардинальных улучшений в чём-либо там не приходится. Мы пытаемся решить проблему создания толстых люминофоров для эффективной регистрации рентгеновского излучения с разрешением 20-50 мкм, что может быть интересно уже медикам».

Тонкий сцинтиллятор выдаёт слишком мало видимого света, которого вполне хватает для изучения мухи-дрозофилы, но не гораздо более плотных объектов. Например, чтобы рассмотреть ткани человека, потребуется высокоэнергичное рентгеновское излучение, и при этом поглощенная пациентом доза должна быть минимальной. «Чтобы сцинтиллятор был максимально эффективным, он должен быть толстым, что позволит уменьшить дозу, поглощенную в процессе съемки без ухудшения изображения — это сегодня основное направление исследований нашей группы», — говорит Алексей Петрожицкий.

Сделанная исследователями ИЯФ установка для рентгеновской вычислительной томографии на основе созданных тонких сцинтилляционных пленок позволяет в подробностях разглядеть один из самых востребованных биологических объектов — муху-дрозофилу. Становятся видны ее внутреннее строение, а также структура волосяного покрова, хоботок, количество трубок в ножках и другие детали.

• 
• Муха дрозофила

Также метод поможет оптимизировать геологические исследования при определении минерального состава и текстурно-структурных особенностей горных пород и промышленных руд, которые присутствуют в виде мельчайших, еле заметных глазу «крошек». «Если отнести образец породы нам, мы в течение нескольких часов получим всю необходимую информацию по структуре и довольно быстро сделаем представительную трёхмерную картинку», — говорит Александр Попов.

«С помощью нашей установки можно будет буквально за час посмотреть внутреннюю структуру осколка метеорита, чтобы потом сделать выводы о температурах, в которых находился образец, и процессах, происходивших в нём во время падения, — рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Константин Эдуардович Купер. — Метод представляет интерес и для тех, кто занимается созданием новых материалов. Он позволяет узнать, как ведёт себя структура композитов при механических воздействиях, понять, образовались ли трещины, и если да, то в каких местах».

Томография интересна также и археологам — в частности, в том, что касается определения возраста археологических комплексов, содержащих древесину. Дело в том, что древние изделия из дерева нельзя исследовать обычными способами, которые применимы в дендрохронологии, так как все они связаны с разрушающим воздействием на объект.

Также с помощью рентгеновской вычислительной томографии можно наблюдать с высоким разрешением клетку в естественной для неё водной среде обитания, in vivo (электронная микроскопия работает только с высушенной, то есть уже погибшей клеткой). Либо проследить, как происходит истончение костной ткани при формировании остеопороза, который является четвёртым по значимости заболеванием у женщин.

Синхротронное излучение обладает достаточным количеством преимуществ по сравнению с обычными рентгеновскими аппаратами. Однако оно дорогостоящее, и его можно получить только на циклических электронных ускорителях.

• 
• Крепления, на которые устанавливаются люминофоры в процессе напыления сцинтиллятора

«В настоящее время СИ является одним из основных инструментов для развития самых разных наук — физики, материаловедения, химии, катализа, биологии, археологии, геологии. В ИЯФ СО РАН работы с СИ проводятся на установках ВЭПП-3 и ВЭПП-4, которые не являются специализированными источниками этого излучения. Эксперименты с СИ чередуются с исследованиями по физике элементарных частиц на встречных пучках.

В России существует только два научных центра по использованию синхротронного излучения (в ИЯФ СО РАН и в НИЦ Курчатовский Институт), при этом параметры наших источников сильно уступают аналогичным современным установкам, работающим во всем мире, так как были разработаны и созданы более 30 лет назад. Поэтому чтобы не допустить отставания в этой области исследований нужно строить современные специализированные источники СИ, потребность в них большая», — говорят исследователи.

«Какой-то одной проблемы, которая однозначно определила бы актуальность создания установок СИ, нет. Однако таких задач очень много, и только в совокупности они обуславливают потребность в новых источниках синхротронного излучения», — комментирует Евгений Козырев.

Учёные отмечают: для дальнейшего развития рентгеновской микроскопии им необходима совместная работа с представителями других наук, и говорят, что будут рады сотрудничеству с биологами, геологами и всеми остальными, кого заинтересуют их исследования.

Диана Хомякова

Фото: (1) — автора, остальные предоставлены исследователями

Кстати, а вы знали, что на «Сделано у нас» статьи публикуют посетители, такие же как и вы? И никакой премодерации, согласований и разрешений! Любой может добавить новость. А лучшие попадут в телеграмм @sdelanounas_ru. Подробнее о том как работает наш сайт здесь👈