Rasuk ion, secara kasarnya, aliran terkawal atom atau molekul bercas Ini dipercepatkan dan diarahkan oleh medan elektrik dan magnet dalam vakum. Jauh daripada konsep makmal semata-mata, mereka telah menjadi alat penting dalam sains, industri, perubatan, angkasa, dan juga pertahanan planet. Fleksibiliti mereka adalah disebabkan oleh fakta bahawa mereka membenarkan anda menganalisis, mengubah suai dan menolak perkara. dengan ketepatan yang sukar dipadankan dengan teknik lain.
Hari ini mereka digunakan untuk mengkaji segala-galanya daripada komposisi pigmen dalam lukisan kepada Tindak balas DNA terhadap radiasi dan pemusnahan tumor terpilihIa juga digunakan untuk mengeras bahan untuk reaktor gabungan atau kapal angkasa, untuk menghasilkan radiofarmaseutikal, dan juga untuk manuver pendorong ion dan pesongan asteroid. Mari kita pergi, dengan tenang dan tanpa lencongan, bagaimana ia dijana, bagaimana ia dipercepatkan dan bagaimana ia digunakan..
Apakah rasuk ion dan bagaimana ia berkelakuan?
Rasuk ion ialah, tidak lebih atau kurang, aliran terarah zarah bercas elektrik. Semasa dicas, zarah ini mendapat atau kehilangan kelajuan bergantung pada medan elektrik yang dilaluinya dan boleh difokuskan atau dipesongkan oleh medan magnet. Dalam amalan, mereka terkurung di dalam tiub vakum logam untuk mengurangkan perlanggaran dengan udara dan mengekalkan trajektori yang tepat, daripada beberapa volt elektron kepada tenaga yang begitu tinggi sehingga ia menghampiri pecahan yang ketara daripada kelajuan cahaya, bergantung kepada pemecut.
Dalam rasuk ion, kestabilan dan kualiti rasuk diukur dengan parameter seperti arus, perbezaan, tenaga, dan ketulenan isotop. Caj bersih boleh menyebabkan tolakan antara ion, yang cenderung untuk memisahkan rasuk; oleh itu, teknik peneutralan rasuk dan optik digunakan untuk memastikan ia "tertutup" dan dalam bentuk yang dikehendaki.
Bagaimana ia dijana: sumber ion dan plasma
Langkah pertama dalam mempunyai rasuk ialah sumber ion. Konfigurasi yang paling biasa terdiri daripada tiga elemen utama: ruang pelepasan (tempat plasma dicipta), satu set grid pengekstrakan dan peneutral. Gas (sangat kerap argon) kemudiannya dimasukkan ke dalam ruang kuarza atau alumina dengan a antena frekuensi radio luka sekitar.
Medan RF ini merangsang elektron dalam gas dengan gandingan induktif sehingga campuran terion: plasma dilahirkan. Ion diekstrak daripada plasma dengan melalui satu set grid dengan perbezaan potensi., yang mempercepatkan dan "menggabungkan" mereka, membentuk jet. Akhir sekali, peneutral (sumber elektron) ditambah untuk mengimbangi cas positif rasuk, yang mengurangkan perbezaannya dan menghalang beban elektrostatik sasaran.
- Ruang pelepasan: kawasan di mana gas terion dan plasma dihasilkan.
- Jeriji pengekstrakan: memecut dan membentuk pancutan ion.
- Peneutral: mengeluarkan elektron untuk meneutralkan cas dan menstabilkan rasuk.
Dalam pembuatan lanjutan, sumber khusus juga digunakan, seperti duoplasmatron, digunakan secara meluas untuk mencipta rasuk ion untuk goresan atau sputtering. Pilihan sumber bergantung kepada gas, arus yang diperlukan dan kualiti rasuk yang dikehendaki..
Pemecut dan rasuk tandem: dari makmal ke sampel
Setelah dijana, rasuk boleh disuntik ke dalam pemecut yang berbeza. Pemecut elektrostatik tandem adalah klasik: Mereka mendarabkan tenaga ion dan mengarahkannya ke arah sampel atau objek. Di sana, ion boleh berselerak, berundur, atau merangsang pancaran sinaran (terutama sinar-X atau sinar gamma). Sinaran ini dikesan dan dianalisis untuk membuat kesimpulan komposisi dan keadaan struktur. daripada bahan yang dikaji.
Tenaga zarah yang dipancarkan atau foton terpancar memberikan petunjuk yang baik: sama ada bahan itu kristal atau amorf, kekerasannya dan sifat-sifat lain kunci kepada teknologi baru muncul. Selain itu, julat sampel sangat besar: kepingan nipis atau filem, pelet tanah, sel manusia atau tumbuhan, biji benih, batu, cecair atau objek yang mempunyai nilai sejarah. Bergantung pada geometri dan komposisi, pengeboman boleh dilakukan dalam vakum atau bahkan di udara jika sesuai.
Teknik analisis dengan pancaran ion
Beberapa teknik bergantung pada merangsang dan membaca tindak balas sampel. Ini termasuk: PIXE (Pancaran X-ray Aruh Zarah) y NRA (analisis tindak balas nuklear), sangat sensitif kepada komposisi kimia dan isotop. Yang lain mengeksploitasi penyerakan anjal atau pengunduran ion untuk kepekatan profil secara mendalam dan mencirikan struktur.
Kaedah ini membolehkan, contohnya, menentukan asal usul bahan cemar seperti aerosol halus di udara atau zarah sedimen yang dibawa oleh air. Mereka juga berkhidmat untuk mencirikan bahan cemar dalam makanan, dapatkan imej sel individu dan mengkaji pengedaran unsur surih dalam tisu, kunci untuk merungkai mekanisme penyakit.
Satu lagi bidang kesan ialah Warisan budaya. Dengan rasuk ion adalah mungkin untuk menganalisis dalam a tidak merosakkan dakwat, pigmen, cat atau enamel pada seramik dan kaca untuk mengetahuinya asal, keaslian dan kemungkinan campur tangan masa lalu. Secara sepintas lalu, kakisan dan degradasi disiasat dan reka bentuk dibuat strategi pemuliharaan lebih tepat.
Pengubahsuaian bahan: daripada skala nano kepada reaktor
Selain menganalisis, pancaran ion adalah alat yang hebat untuk ubah suai bahanDalam nanoteknologi ia digunakan untuk mencipta struktur tersuai; dalam bidang elektronik, implantasi ion memperkenalkan dopan dengan ketepatan nanometrik. Penggunaan langsung pada biobahan sedang diterokai, seperti mutagenesis terarah DNA digunakan untuk pembiakan tumbuhan.
Apabila kita bercakap tentang bahan untuk persekitaran yang melampau (fikirkan kenderaan angkasa atau reaktor gabungan), pancaran ion bertenaga membolehkan bahan itu "dipercepatkan dalam kehidupan." Mereka dengan cepat boleh menghasilkan semula tahap kerosakan yang setara dengan tahun penyinaran neutron pantas dalam reaktor eksperimen, jauh melebihi apa yang akan dicapai oleh ujian konvensional.
Tambahan pula, dengan menggunakan dua atau lebih rasuk serentak adalah mungkin untuk menjana in situ hidrogen dan gas helium dalam bahan, mensimulasikan kesan gabungan tindak balas nuklear. Ini mencipta semula mekanisme pembengkakan dan embrittlement daripada sampul bahan api dan kawasan kritikal lain, yang mempercepatkan saringan calon baharu.
Ukiran dan Pembuatan Termaju: Letupan Pasir Berskala Atom
Goresan ion sering dibandingkan dengan letupan pasir, di mana bukannya butiran pasir, molekul atau ion individu untuk menghakis sasaran. A pancaran ion duoplasmatron untuk ablasi fizikal dan, apabila digabungkan dengan bahan kimia, kita bercakap tentang etsa ion reaktif (RIE). Penggunaan bintangnya adalah dalam pembuatan mikro dan nano semikonduktor..
Kuncinya di sini ialah arah dan selektiviti. Impak ion dipercepatkan dengan tenaga yang jelas, yang membolehkan alur yang bersih dan boleh dihasilkan semula dibuka, menyerang hanya lapisan tertentu dan melindungi yang lain dengan topeng. Ia adalah teknik yang telah berjalan seiring dengan litografi yang paling maju untuk memperbanyakkan pengecilan.
Biologi dan perubatan: daripada radiobiologi kepada hadronterapi
Dalam biologi, rasuk ion digunakan untuk mengkaji isyarat sel, komunikasi intra dan ekstraselular dan kerosakan DNA dan lata pembaikan berikutan penyinaran. Dengan "membakar" ion dengan tenaga terkawal, memetakan tindak balas biologi dengan butiran spatial dan dosimetrik yang indah.
Di hadapan klinikal, yang hadronterapi Ia menggunakan ion seperti proton, helium, atau karbon untuk menyerang tumor. Aset terbesarnya ialah apa yang dipanggil puncak Bragg: ion Mereka kehilangan sedikit tenaga pada mulanya dan lepaskannya secara tiba-tiba di penghujung trajektorinya, betul-betul di mana tumor berada, yang meminimumkan kerosakan pada tisu yang sihat. Ini amat berharga berhampiran organ sensitif. sebagai otak, saraf tunjang atau prostat.
Pasukan dari Universiti Alicante telah bekerja selama bertahun-tahun pada model lanjutan untuk mengoptimumkan rawatan ini dan telah membangunkan kod SEICS (Simulasi Ion Bertenaga dan Kelompok melalui Pepejal). Perisian ini mengikuti trajektori peluru dalam bahan biologi (seperti DNA, protein atau air cecair) dan mengira magnitud interaksi yang berkaitan. Antara pencapaian lain, mereka telah memperoleh pengagihan tenaga jejari rasuk proton, berkait rapat dengan ketepatan kerosakan tumor. Ia berlegar di bawah milimeter, angka yang menunjukkan kemahiran teknik.
Hari ini terdapat dalam dunia perintah enam puluh pusat hadronterapiIa adalah kemudahan yang kompleks dan mahal kerana ia memerlukan sinkrotron atau peralatan yang setara untuk mempercepatkan proton atau ion karbon, tetapi kemajuan teknologi dijangka akan semakin murah penempatannya. Secara selari, proton dan ion lain adalah penting untuk dihasilkan radioisotop yang digunakan dalam kedua-dua radiofarmaseutikal diagnostik dan terapeutik.
Elektron dan X-ray: sepupu rapat
Selari dengan rasuk ion, yang rasuk elektron memainkan peranan yang ketara. Ia dijana dalam pemecut tertentu dan digunakan untuk menghasilkan sinar-X bertujuan untuk menyinari tumor dan memusnahkan sel-sel kanser. Dalam industri makanan Elektron atau sinar-X digunakan untuk membasmi kuman makanan dan menghapuskan bakteria berbahaya, tanpa merendahkan kualiti organoleptik atau nilai pemakanan.
Seperti yang anda lihat, dunia rasuk bercas (ion dan elektron) adalah luas dan saling melengkapi. Pilihan "projektil" bergantung pada aplikasi, dos dan kedalaman tindakan yang diperlukan.
Pendorongan elektrik angkasa
Prinsip yang sama yang mengawal rasuk dalam makmal digunakan untuk pendorongan ion di angkasa. Enjin ion atau plasma mengeluarkan ion pada kelajuan yang sangat tinggi untuk menghasilkan tujahan yang sangat cekap. Semasa jet dicas, a peneutral elektron untuk mengelakkan kapal daripada dicas dan untuk memastikan ekzos berkolimat. Teknologi ini terdapat dalam satelit dan probe antara planet, di mana penjimatan bahan api membuat perbezaan.
Pertahanan planet dengan pancaran ion: menolak asteroid
Di antara beribu-ribu NEO (objek dekat Bumi), pecahan adalah asteroid yang berpotensi berbahayaRisiko sebenar, mengetepikan yang utama yang sudah hampir dikatalogkan, terletak pada badan antara 50 dan 400 meter, kemungkinan besar antara 50 dan 150 m. Sifat mereka berbeza-beza: ada yang monolit, banyak yang “timbunan runtuhan” di mana kesan kinetik boleh mempunyai kesan yang sukar untuk diramalkan.
Sebagai tambahan kepada pemintas kinetik atau nuklear, atau traktor graviti, terdapat satu lagi idea yang elegan: gunakan pancaran ion sebagai "penolak asteroid"Siasatan menghalakan jet ke permukaan; pemindahan ion momentum linear Berdasarkan perlanggaran dan dikekalkan selama berbulan-bulan atau bertahun-tahun, perubahan terkumpul dalam orbit boleh mencukupi untuk mengelakkan kesan dengan Bumi. Kelebihan besar adalah itu Ia tidak bergantung kepada sama ada asteroid itu pepejal atau timbunan serpihan., dan tujahan boleh diarahkan ke arah yang paling berkesan pada bila-bila masa.
Konsep ini mempunyai keperluan praktikal. Sebuah kapal dengan enjin ion berkuasa (dalam susunan 50–100 kW)Untuk kekal "setanding" dengan asteroid, dua enjin yang mempunyai kuasa yang sama menghala ke arah bertentangan digunakan: satu menolak asteroid, satu lagi mengimbangi kemunduran daripada siasatan. Ia sepatutnya diletakkan lebih daripada tiga jejari asteroid supaya kerugian akibat tarikan graviti jatuh di bawah 1%. Dan rasuk harus mempunyai a perbezaan hampir 10° untuk menutup sasaran tanpa "kehilangan" bahan di luar. Ini lebih mengutamakan enjin ion parut (serakan rendah) berbanding kebanyakan enjin Motor dewan, yang biasanya memberikan lebih banyak rasuk terbuka.
Dalam bidang misi konseptual, John Brophy (JPL) telah mencadangkan pemesongan asteroid 2004 JN1 dengan kuar kira-kira satu tan, dengan beberapa 68 kg xenon sebagai propelan. Reka bentuk termasuk panel solar yang mampu menjana ~2,9 kW pada jarak suria yang dijangkakan dan satu set dua belas enjin plasma, dua daripadanya akan beroperasi secara berterusan untuk manuver. Cabarannya adalah untuk mengekalkan matlamat dan ketepatan. musim relatif dalam menghadapi gangguan, sesuatu yang tidak remeh. Jika tempoh amaran adalah mencukupi (mengikut urutan lima tahun atau lebih) dan saiz objek adalah sekitar 50-100 m, tekniknya sangat sesuai. Dalam senario dengan margin kecil atau dengan saiz lain, a Hentam kinetik jenis DART mungkin kekal sebagai pilihan yang paling pragmatik.
Rasuk ultrasejuk dan sumber terang: atom yang disejukkan dengan laser
Satu lagi bahagian hadapan dengan unjuran yang hebat ialah sumber "terang" berdasarkan atom ultrasejuk. Terima kasih kepada penyejukan laser dan perangkap (pemenang Hadiah Nobel pada tahun 1997 dan 2001), adalah mungkin untuk mengurangkan secara drastik kelajuan haba atom dan mengawal tingkah laku andaProjek COLDBEAMS Eropah menghimpunkan pakar dalam rasuk ion terfokus dan atom neutral ultrasejuk untuk membangunkan sumber ion dan elektron baru daripada atom yang disejukkan laser.
Hasilnya yang paling menarik ialah a rasuk kolimat yang sangat terang bagi atom cesium disejukkan dalam perangkap magneto-optik, menunjukkan bahawa a pancaran ion monokromatik kecerahan tinggi sesuai untuk mikroskopi, pengimejan, dan ukiran skala nano. Mereka juga membuka pintu untuk menghasilkan paket ion dengan cas tertentu dan dinamik terkawal, yang menjanjikan kemajuan daripada fizik kepada kimia dan biologi. Sebahagian daripada keputusan ini diterbitkan dalam Kajian Fizikal A, menyatukan pendekatan sebagai laluan masa depan untuk rasuk fokus.
Pembiakan tumbuhan dan aplikasi alam sekitar
Dalam pertanian, rasuk ion digunakan untuk mendorong mutasi terkawal dalam bahan tumbuhan dan anak benih, mempercepatkan proses evolusi semula jadi. Matlamatnya adalah untuk mendapatkan tanaman yang lebih produktif atau tahan kepada penyakit dan kemarau. Ia adalah lanjutan daripada pengubahsuaian DNA untuk tujuan praktikal dan mempunyai kesan langsung terhadap keselamatan makanan.
Dalam bidang alam sekitar, teknik analisis yang dibincangkan membolehkan mengesan asal usul aerosol halus dalam udara atau sedimen di dalam air, kunci kepada mereka bentuk kualiti udara dan dasar kawalan pencemaran. Jejak dalam makanan juga dipantau. dan peta pengedaran unsur kritikal dalam tisu biologi dibangunkan, menghubungkan dengan kesihatan awam.
Infrastruktur dan latihan: peranan IAEA
Komuniti antarabangsa telah bergerak untuk mempromosikan akses kepada teknologi ini. IAEA sedang merancang a pemasangan rasuk ion tandem kemudahan tercanggih di Seibersdorf, Austria, dikenali sebagai IBF. Ia akan menyokong penyelidikan, latihan dan latihan pakar dalam pelbagai aplikasi, termasuk pengeluaran zarah sekunder (neutron) untuk pengajian lanjutan.
Untuk menempatkan pemecut, infrastruktur dan peralatan yang berkaitan, agensi telah menganggarkan a pembiayaan sekitar 4,6 juta euro. Di samping itu, ia mengekalkan a Portal Pengetahuan tentang Pemecut dengan penyenaraian kemudahan pancaran ion di seluruh dunia, memudahkan sinergi, latihan amali dan projek kerjasama antara negara.
Pancaran ion telah berubah daripada sifat ingin tahu fizik kepada menjadi a kotak alat keratan rentas menghubungkan analisis unsur, pengimejan, pengubahsuaian skala nano, terapi kanser ketepatan tinggi, pendorongan angkasa lepas dan pertahanan planet. Ekosistem dilengkapkan dengan rasuk elektron untuk sinaran perubatan dan pensterilan makanan, dan dengan sumber ultra-sejuk yang menjanjikan pancaran terang generasi seterusnya. Jika satu perkara yang jelas, ia adalah bahawa impaknya akan terus berkembang, kerana beberapa teknologi berjaya untuk meliputi begitu banyak, dengan tahap kawalan sedemikian dan dengan hasil yang boleh diukur.
