A fonte de luz síncrotron nacional II (NSLS-II), um DOE Office of Science User Facility no Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA, é um recurso verdadeiramente internacional. Geocientistas da Austrália e da França recentemente viajaram pelo mundo para mirar no minúsculo NSLS-II, feixes intensos de raios-X em amostras finas de minerais ricos em níquel coletados em uma mina na longínqua Sibéria. Eles escanearam essas fatias de material geológico para ver quais outros elementos químicos estavam associados ao níquel. O grupo também examinou fatias de minerais cultivadas em um laboratório, e comparou os resultados das duas suítes de amostra para aprender como os depósitos de metal maciços se formam.

Seu experimento foi o primeiro a usar um detector de raios-x recém-instalado, chamado Maia, montado na linha de luz de espectroscopia de raios-X de resolução submicrônica (SRX) do NSLS-II. Cientistas de todo o mundo procuram SRX para criar imagens de alta definição de depósitos minerais, aerossóis, algas - quase tudo que eles precisam examinar com resolução de um milionésimo de metro. Maia, desenvolvido por uma colaboração entre NSLS-II, Divisão de Instrumentação de Brookhaven e Organização de Pesquisa Científica e Industrial da Comunidade da Austrália (CSIRO), pode escanear áreas de amostra em escala centimétrica com resolução em escala de mícron em apenas algumas horas - um processo que costumava levar semanas.

"O detector Maia é uma virada de jogo, "disse Juergen Thieme, cientista-chefe da linha de luz SRX. "Milissegundos por pixel de imagem em vez de segundos é uma grande diferença."

Os usuários da linha de luz SRX agora têm tempo para reunir dados detalhados sobre áreas maiores, em vez de escolher algumas zonas para se concentrar. Isso aumenta muito a chance de capturar pistas raras de "agulha em um palheiro" para os processos de formação de minério, por exemplo.

"Isso é importante quando você está tentando publicar um artigo, "disse Thieme." Os editores querem ter certeza de que sua afirmação é baseada em muitos exemplos e não em um evento aleatório. "

"Já reunimos dados suficientes para um, se não dois papéis, "disse Margaux Le Vaillant, um dos usuários visitantes do CSIRO e investigador principal deste experimento.

O colaborador Giada Iacono Marziano do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica acrescentou, "Porque agora podemos ver uma imagem maior em detalhes, podemos ver coisas - como certas associações elementares - que não previmos. "Esses tipos de surpresas colocam questões inesperadas para os cientistas, empurrando suas pesquisas em novas direções.

Siddons e seus colaboradores no Brookhaven Lab e CSIRO forneceram detectores Maia para fontes de luz síncrotron em todo o mundo — CHESS na Cornell University em Nova York, PETRA-III no laboratório DESY em Hamburgo, Alemanha, e o Síncrotron australiano em Melbourne. O detector na SRX oferece a vantagem de usar feixes de NSLS-II, a fonte de luz mais brilhante de seu tipo no mundo.

Impressão digital química de alta velocidade

Quando os cientistas iluminam as amostras com feixes de raios-x, eles excitam os átomos do material. À medida que os átomos relaxam de volta ao seu estado original, eles fluorescem, emitindo luz de raio-x que o detector capta. Diferentes elementos químicos emitirão diferentes comprimentos de onda característicos de luz, então este mapeamento de fluorescência de raios-x é uma espécie de impressão digital química, permitindo que o detector crie imagens da composição química da amostra.

O detector Maia possui vários recursos que o ajudam a mapear amostras em alta velocidade e nos mínimos detalhes.

“Maia não 'para e mede' como outros detectores, "disse o físico Pete Siddons, que liderou metade do projeto de Brookhaven. A maioria dos detectores funcionam em etapas, analisar cada ponto em uma amostra, um de cada vez, ele explicou, mas o detector Maia faz a varredura continuamente. A equipe de Siddons programou o Maia com um processo chamado análise dinâmica para separar os dados espectrais de raios-X coletados e resolver onde os diferentes elementos estão presentes.

Os sistemas de análise do Maia também permitem que os cientistas vejam as imagens de suas amostras aparecerem na tela do computador em tempo real enquanto o Maia faz a varredura. Se as amostras forem muito semelhantes, Maia irá reciclar os algoritmos de análise dinâmica que usou para criar imagens de vários elementos a partir dos sinais de fluorescência da primeira amostra para construir as imagens da amostra subsequente em tempo real, sem atraso computacional.

Parte da velocidade de Maia também pode ser atribuída aos 384 minúsculos elementos detectores de fótons que compõem o grande detector. Esta grande grade de sensores pode captar mais raios-x reemitidos do que os detectores padrão, que normalmente usam menos de 10 elementos. A equipe de instrumentação de Siddons projetou chips de leitura especiais para lidar com o grande número de sensores e permitir uma detecção eficiente.

A grade de detectores de 20 por 20 tem um orifício no meio, mas isso é intencional, Siddons explicou. "O buraco nos permite colocar o detector muito mais perto da amostra, "Siddons disse. Em vez de colocar a amostra na frente do feixe de raios-X e o detector ao lado, Cientistas da linha de luz SRX alinharam o feixe, amostra, e detector para que o feixe de raios-x brilhe através do orifício para alcançar a amostra. Com este arranjo, o detector cobre um ângulo amplo e captura uma grande fração dos raios-x fluorescentes. Essa sensibilidade permite que os pesquisadores digitalizem mais rápido, que pode ser usado para economizar tempo ou para reduzir a intensidade dos raios-x que atingem a amostra, reduzindo qualquer dano que os raios possam causar.

Siddons observou que a equipe está atualmente desenvolvendo novos chips de leitura para o detector, e incorporando um novo tipo de sensor, chamado de matriz de detector de desvio de silício. Juntos, eles aumentarão a capacidade do detector de distinguir entre fótons de energia semelhante, revelando detalhes em espectros complexos e criando mapas químicos ainda mais precisos.