Um espetrómetro pioneiro para raios X duros no XFEL europeu
"O novo espetrómetro abre possibilidades espectroscópicas completamente novas a altas energias de raios X"
Os investigadores do XFEL europeu desenvolveram um novo dispositivo para medições de raios X a altas energias de fotões - o chamado espetrómetro de Laue. Este dispositivo permite a deteção de luz de raios X com energias de fotões superiores a 15 quiloelectrão-volts com maior eficiência e precisão. Isto é importante para a investigação de materiais tecnicamente significativos que, por exemplo, transportam eletricidade sem perdas ou asseguram que os processos químicos funcionam de forma mais eficiente.
Contrariamente ao espetrómetro normal, o novo espetrómetro de Laue difracta os feixes de raios X (setas vermelhas) através de camadas atómicas perpendiculares à superfície.
© European XFEL
Para desvendar os segredos do mundo dos átomos, moléculas e materiais em geral, os cientistas utilizam frequentemente dispositivos de medição especiais conhecidos como espectrómetros. Estes funcionam registando a luz que os objectos emitem. A partir da forma como os objectos o fazem, os investigadores aprendem muito sobre os processos físicos que ocorrem nos materiais. Particularmente reveladora é a investigação com luz de raios X, que penetra profundamente na matéria e fornece informação específica para cada espécie atómica. Esta luz é invisível aos nossos olhos, mas pode ser detectada e medida utilizando espectrómetros especiais.
Os principais componentes destes aparelhos são geralmente cristais de silício ou de germânio, cortados com extrema precisão. Tradicionalmente, os espectrómetros de raios X funcionam na chamada geometria de Bragg: A luz de raios X atinge o cristal e é depois difractada pelos planos atómicos paralelos à superfície, tal como os espelhos reflectem a luz visível. A partir da direção e intensidade da radiação dispersa, os investigadores podem tirar conclusões sobre as propriedades electrónicas dos materiais que estão a analisar.
Uma caraterística única do XFEL europeu é a capacidade de fornecer luz de raios X com uma energia muito elevada. No entanto, à medida que a energia dos raios X aumenta, a interação com os cristais torna-se menor, o que torna as medições difíceis. Neste regime de elevada energia dos fotões, uma grande parte da luz de raios X passa simplesmente através do cristal sem ser utilizada, razão pela qual o desempenho dos espectrómetros de raios X que utilizam estes analisadores, conhecidos como espectrómetros Johann ou Von Hamos, diminui rapidamente com o aumento da energia dos raios X. Normalmente, só funcionam bem até uma energia de fotões de cerca de 15 kiloelectrão-volts (keV).
Os investigadores do instrumento FXE no European XFEL desenvolveram agora um novo espetrómetro que permite obter resultados significativos mesmo com energias muito superiores a 15 keV. Funciona na chamada geometria de Laue. Isto significa que os raios X atravessam o cristal e são difractados por camadas atómicas perpendiculares à superfície. Quanto mais elevada for a energia dos raios X, mais eficaz é o funcionamento do analisador Laue. "O nosso design optimizado, com uma curvatura fixa e um raio de curvatura curto, resulta em analisadores sem distorções superficiais perceptíveis, o que simplifica consideravelmente a configuração e a medição com o espetrómetro Laue", afirma Frederico Lima, cientista do instrumento FXE. O desempenho deste espetrómetro ultrapassa largamente as anteriores concepções com analisadores Laue curvados dinamicamente.
O dispositivo recentemente desenvolvido, denominado Espectrómetro de Emissão de Raios X de Laue de Alta Energia (HELIOS), está agora instalado e disponível para todos os utilizadores no XFEL europeu. Proporciona uma precisão extremamente elevada de cerca de 1,2 x 10-4 a uma energia de fotões de cerca de 18,6 keV. Em comparação com os espectrómetros convencionais, atinge uma intensidade de sinal que é 4 a 22 vezes superior. Isto torna possível detetar transições electrónicas particularmente interessantes nos chamados metais de transição 4d, que de outra forma são muito difíceis de medir. Os metais de transição 4d incluem elementos tecnicamente importantes como o nióbio, o molibdénio, o ruténio, o paládio e a prata.
"O novo espetrómetro abre possibilidades espectroscópicas completamente novas a altas energias de raios X, só possíveis no XFEL europeu", afirma Lima. Entre os exemplos contam-se a medição das propriedades fotocatalíticas de nanopartículas contendo metais 4d, a investigação da sensibilização de corantes para aplicações em células solares e a investigação de materiais fortemente correlacionados que poderão ser utilizados como supercondutores ou como cátodos ou ânodos de baterias para um armazenamento eficiente de energia.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
X. Huang, Y. Uemura, F. Ardana-Lamas, P. Frankenberger, M. Knoll, H. Yousef, H. Wang, S. Heder, M. Nachtegaal, G. Smolentsev, L. Wang, L. F. Zhu, C. Milne, F.A. Lima; "A high-energy Laue X-ray emission spectrometer at the FXE instrument at the European XFEL"; Journal of Synchrotron Radiation, Volume 32, 2025-3-31
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