Maailman kirkkaimmalla valonlähteellä muokataan valoa kuin takomoissa rautaa

Oulun yliopiston tutkijat mukana kansainvälisessä säteilyleikkurihankkeessa ja tutkimuksen eturintamassa.
FinEstBeams -säteilylinja laboratoriossa
FinEstBeAMS -säteilylinja, jota myös Oulun yliopiston tutkijat käyttävät. Kuva Minna Patanen.

Synkrotronisäteilylähteet ovat eräänlaisia valotehtaita: niiden tehtävänä on tuottaa erittäin kirkasta säteilyä laajalla aallonpituusalueella aina infrapunasäteilystä korkean energian röntgensäteilyyn. Tutkijat ympäri maailmaa kokoontuvat näille säteilylähteille ja käyttävät tuotettua valoa omassa tutkimuksessaan aina lääketieteestä arkeologiaan ja fysiikasta biologiaan. Esimerkiksi COVID-19 pandemian aikana synkrotronisäteilyherätteiset tutkimukset olivat avainasemassa, kun viruksen rakennetta selvitettiin.

Näissä kansainvälisissä suuren mittakaavan laitoksissa varattuja hiukkasia, kuten elektroneja, ensin kiihdytetään erittäin lähelle valonnopeutta. Kiihdytetyt hiukkaset ohjataan sitten muuttuvaan magneettikenttään, jossa ne alkavat värähdellä tuottaen sähkömagneettista säteilyä eli valoa. Valon ja aineen vuorovaikutusilmiöitä hyödynnetään eri materiaalien ja prosessien tutkimuksessa.

Valolta vaaditaan erilaisia ominaisuuksia riippuen tutkittavasta kohteesta: sen energiaa, voimakkuutta, fokusta, polarisaatiota ja aikarakennetta voidaan muuttaa. Synkrotronisäteilylaitoksissa työskenteleekin nykyaikaisia seppiä, joiden tehtävänä on taivuttaa, hajottaa ja uudelleen koota valonsäteet tutkijoiden tarkoitusperiin parhaiten sopivaan muotoon. 

Erittäin lyhyet ja voimakkaat valopulssit hyödyttävät esimerkiksi tuikeilmaisimien kehitystä

Ruotsin Lundissa sijaitseva maailman kirkkain synkrotronisäteilylähde MAX IV Laboratorio on juuri saanut yhteisrahoitusta uuteen valonmuokkauslaitteistoon, niin kutsuttuun chopperiin eli eräänlaiseen säteilyleikkuriin. Oulun yliopiston Nano- ja molekyylisysteemien tutkimusyksikkö NANOMO on mukana tässä kokonaiskustannuksiltaan noin 200 000 euron hankkeessa, jonka tarkoituksena on tuottaa erittäin lyhyitä mutta toisistaan etäällä olevia voimakkaita valopulsseja. Tällaista jaksomaista säteilyä hyödyntää esimerkiksi Oulun yliopistossa kehitetty magneettipullospektrometri, joka pystyy keräämään synkrotronivalolla säteilytetystä näytteestä irronneita elektroneja huomattavan paljon tehokkaammin kuin monet perinteiset spektrometrit. Lisäksi se pystyy havaitsemaan näytteestä samanaikaisesti irronneet elektronit, ja tutkimaan näin esimerkiksi monen elektronin välistä vuorovaikutusta: asia, joka on edelleen nykyaikaisten kvanttimekaanisten mallien pullonkaula. 

Säteilyleikkuri tullaan asentamaan MAX IV Laboratorion suomalais-virolaiselle FinEstBeAMS-säteilylinjalle. ”Hanke on yksi pitkään jatkuneen Suomen, Viron ja Ruotsin yhteistyön tuloksista. Nyt hankittava laitteisto mahdollistaa perustutkimuksen saralla esimerkiksi erittäin tarkan ionisaatiokaskadien eli peräkkäisten ionisaatiotapahtumien ja varauksen siirtoprosessien tutkimuksen, mutta hyödyttää myös soveltavaa tutkimusta kuten tuikeilmaisimien kehitystä”, kertoo NANOMOn johtaja, professori Marko Huttula.

Tuikeaineita käytetään säteilyilmaisimina muun muassa terveyden ja turvallisuuden sovelluksissa kuten tietokonetomografia-kuvauksessa ja läpivalaisulaitteissa.

FinEstBeAMS-säteilylinjan johtaja Antti Kivimäki ja MAX IV:n tutkija Noelle Walsh kertovat säteilyleikkurin tuovan tärkeän lisän FinEstBeAMS-säteilylinjan ominaisuuksiin, joita käyttävät jo nyt useat tutkimusryhmät eri aloilta materiaalitieteestä kvanttifysiikkaan. He painottavat, että useat laitteistokehitysyhteistyöhankkeet Oulun yliopiston kanssa ovat olleet ja tulevat olemaan tärkeässä roolissa mahdollistaen pysymisen näiden alojen tutkimuksen eturintamassa.

NANOMO on kansainvälinen ja dynaaminen tutkimusyksikkö, jonka toiminta kattaa tutkimusaiheita ilmakehän tutkimuksesta funktionaalisiin nanomateriaaleihin, kvanttitason teorettiseen fysiikkaan ja biolääketieteelliseen fysiikkaan. 

Viimeksi päivitetty: 5.1.2022