X-ışınım odaklayabilen bir alüminyum mercek, tıbbi görüntülemede devrim yaratabilir; hücrelerin işleyişini ve kristallerin yapılarını benzeri görülmemiş ayrıntılarla açıklayabilir.
Herhangi bir nedenle bir kemiğini kırmış olanlar X-ışınlarını biliyordur. X-ışınları, kemiğe oranla yumuşak olan etten daha kolay geçtiklerinden, vücut içindeki yapıların görüntüsünü oluşturur. Konuyla ilgili yüz yıldan uzun bir süredir yapılan çalışmalar, bu fenomenden yararlanmak amacıyla teknik geliştirme üzerinde yoğunlaştı. X-ışmıyla elde edilen gölgeli görüntüler, gözle görülebilen ışıkla oluşturulan karmaşık görüntüleme tekniklerine oranla hâlâ ilkel kalıyor.
Sorun, X-ışınlarınm, görünür ışığın bir büyüteçle odaklandığı gibi odak-lanamaması. Araştırmacılar, mercek olmadan küçük cisimlerin büyütülmüş görüntülerini oluşturamazlar, X-ışınlarım küçük alanlar üzerine kolayca yoğunlaştıramazlar ya da zayıf kaynaklardan ışık toplayamazlar.
Ancak, bunların hepsi değişecek gibi görünüyor. Fransa, Grenoble’de-ki Avrupa Sinkrotron Radyasyon Tesi-si’nde (ESRF), Anatoly Snigirev başkanlığındaki bir araştırmacı grubu, büyüteçtekine benzer bir X-ışını uygulaması için basit bir yöntem geliştirdi. Bu yöntemin potansiyeli çok büyük. X-ışını mercekleri, insan vücu-
dunun küçük parçalarının büyütülmüş görüntülerini oluşturabilecek, belki de hücrelerin yapısını ve işleyişini de açıklayabilecek. Odaklanan ışın demetleri, çevredeki dokulara zarar vermeden küçük tümörleri yok etmekte bile kullanılabilecek. Odaklanan ışınlar, bilim adamlarına, kristaller gibi çok küçük malzeme örneklerinin yapılarını çözümleyebilirle olanağı sağlayacak.
Işınların Bükülmesi
Tüm bunların anahtarı, X-ışınları-nı kıran bir merceğin geliştirilmesi. Kırıcı mercekler, elektromanyetik dalgaların vakumdan bir maddeye geçtikleri zaman yavaşlamaları esasına dayalı olarak çalışır. Eğer dalgalar (ışınlar) maddeye 90°’den daha farklı bir açı yaparak girerse, hızlarındaki farklılık, hareket ettikleri yönü de değiştirerek ışınları büker. Vakumdaki ışık hızının bir madde içindeki ışık hızına oranı, maddenin kırılma indisi olarak bilinir. Kırılma indisi büyüdükçe, gelen ışının bükülmesi de artar.
Işınların, bir kırılma ortamından diğerine geçtikçe, ne kadar büküldükleri kırılma indisleri arasındaki farkla belirlenir. Görünür ışık için havanın kırılma indisi l’e yakındır ama camın kırılma indisi yaklaşık 1,5’tur.
Bu da, neden camın görünür ışık ışınlarım daha fazla kırdığını açıklar.
Ancak, X-ışınları çok daha farklı davranır. X-ışınlarımn çok kısa dalga-boylarında, hava ve camın kırılma indisleri arasında çok az fark vardır. X-ışınları, geleneksel cam merceklerden, yolunu hemen hiç değiştirmeden geçer. X-ışını merceklerini tasarlarken bir diğer engel de, kırılma indisi yüksek olan maddelerin X-ışınlarım soğurma eğilimi. Bu sorunlar, araştırmacıların, kırıcı X-ışım merceklerinin olanaksız olduğuna inanmalarına yol açtı.
Bu, X-ışınları için, görünür ışıkla çalışanlara benzer çok az sayıda özel görüntüleme tekniklerinin olduğu anlamına geliyor. X-ışınlannı odaklamak isteyen araştırmacılar, ışınları odak noktasına yansıtmak için eğri yüzeyli aynalar kullanıyor. Fresnel merceği olarak adlandırılan minik bir dairesel kırınım (difraksiyon) ızgarası daX-ışın-larını parlak bir noktaya odaklayabilir. Daha yakın zamanlarda, araştırmacılar, görünür ışığın optik fiberde yaptığı gibi, X-ışınlarınm gittikçe incelen oyuk bir tüpten geçerken yan yüzeylerden yansıtıldığı bir teknik olan kılcal optikler kullanıyordu. Snigirev, konuyla ilgili olarak, “On beş yıldır görevdeyim, bu yüzden X-ışınlarmın mikro-odak-lanması benim için yeni bir alan değil. Ancak, kırıcı merceklerle yapılan hiç bir deneyle karşılaşmadım” diyor.
X-ışınlarım kırma fikri, Snigirev’in grubunun akima, X-ışınlarınm holografi için nasıl odaklanabileceği üzerinde çalışırken geldi. Bir mercek oluşturmanın anahtarı, X-ışınlarını fazla soğur-mayan ancak, farklı kırılma indisine sahip iki madde bulmak. Snigirev ve çalışma arkadaşları, hava ve alüminyumun böyle iki madde olduğunu ve havanın daha fazla kırma yetisine sahip bulunduğunu biliyorlardı. Biraz düşünerek, alüminyum bir bloktan geçen bir X-ışını demetinin, mercek biçimindeki hava boşlukları kullanılarak odaklanacağını farkettiler.
Ancak, ortada bir sorun vardı. Hava ve alüminyumun kırılma indisleri arasındaki fark diğer birçok çifttekinden daha büyük olmasına rağmen, hâlâ çok küçüktü -sadece 2,8×106. Bu da, tek bir merceğin odak uzaklığının 50 m’den daha fazla olması anlamına geliyor. Araştırmacılar, bileşik bir mercek oluşturmak amacıyla mercekleri bir araya getirerek sorunu çözdüler. Örneğin, beş tane merceğin odak uzaklığı, bir tanesinin 1/5’i. Snigirev’in çalışma grubunun tasarımında bileşik odak uzaklığı sadece 1,8 m olan 30 silindirik mercek kullanılıyor.
Her mercek prototipi, alüminyum bir bloğa açılmış bir delikten oluşuyor. İnce alüminyum levhalar sadece az miktarda X-ışınını soğururken, b’jvjk bir blok daha fazla soğurur ve L^:r. demetinin şiddetini azaltır. Ara^r’ma..-lar, girişteki ışın demet: -¡¡JJeır.: i\ rayabilmek için, blokları del:k içirmen mercekler arasındaki alüminyum dilimlerinin sadece 10 mikrometre (pm) kalınlığında kalmasını sağlıyor.
Bu tür silindirik mercekler, X-ışını demetini kama şekline sokarak sadece’ bir boyutta odaklayabiliyor. Ancak Snigirev, birbirine dik iki bileşik mercek kullanıldığında, tıpkı bir büyüteç gibi iki boyutta da odaklamanın mümkün olabileceğini söylüyor. X-ışını demeti daha sonra bir koniye dönüşebiliyor.
Çalışma grubu, elde edilen ilk sonuçlardan oldukça memnun. Snigirev, kırıcı merceklerin diğer optiklere göre daha pek çok avantajının olduğunu belirtiyor. Prototip, 8 mikrometre kalınlığında bir odak “çizgisi” oluşturuyor; bu da, geliştirilmeleri yıllar alan diğer odaklama teknikleriyle karşılaştırılabilir. Snigirev, “Yeni gelişmelerle, diğer vöntemlerle mümkün olmayan mikron
altı odaklama noktaları yaratabiliriz” diye de ekliyor.
X-ışını merceğini yapmak oldukça basit. Buna ek olarak, merceğin odaklama becerisi, biçim ve düzgünlüğe aynalarda olduğundan daha az bağlı. Sonuç olarak, dünyadaki en şiddetli X-ışını kaynaklarıyla bile ortaya çıkabilecek ısı yüklemesi merceğe pek zarar vermiv “>r. Bazı laboratuvarlarda. t-: mm-’de 1 k\Y’a kadar ■,:kır:V ~.. da, soğutulmayan ?:r –
nı yüzlerce
Bu. ‘ 2 — • .’ . – * * * • . ■ ‘ .
ii.lLniı^na na^.i —. aç-
ışınsan vücuttaki hücrelerin en küçük ayrıntılarının görüntüsünü bile oluştu-rabiliyor. Snigirev, özellikle mamografi alanının bundan kârlı çıkacağını belirtiyor.
Mikro-odaklı ışın demetlerini kullanan araştırmacılar, bir örneğin küçük parçalarını inceleyebilmeyi ümit ediyor. Bu, örnekler az miktarlarda bulunduğunda, yeni malzeme geliştirme konusunda belirgin bir kazanç sağlayabilir. Snigirev bunu, “Mikro-odaklama çalışması için ışın demetini yaklaşık 1 mikrometreye odaklamalıyız. Yeni mercekleri bu tür uygulamalar için kullanabilmeyi umuyoruz” diyerek açıklıyor. Mikro-odaklama, araştırmacıların, tek bir hücrede devam eden işleyişi! daha önce görülemeyen ayrıntılarını görebilmelerine olanak sağlayacak. Aynı zamanda, küçük protein
parçacıklarının kristal yapılan::: büyük kristal haline -zer.r.’.— z-olan büyük molekül var: çıkaracak.
Gelecekre. – –
dan fark!: rr.a.r;-r ‘ .
Snigirev bunu yapabileceğim “jrr.üy; r. çünkü polimerler, geleneksel mercek şekillerine uyarlanabilir ve böylece, merceklerdeki bazı anormallikler düzeltilebilir. Snigirev, “Bu bize çok daha küçük odak boyutları verecektir. 500 Angstrom’un (50 nanometre) mümkün olabileceğini söyleyebilirim” diyor.
Küçük bazı teknolojik gelişmelerle, kırıcı X-ışını mercekleri birkaç kişinin rüyası olmaktan çıkarak dünyadaki birçok araştırmacı için gerçek olacak. Ancak, X-ışını merceklerinin çekiciliğinin büyük bir kısmı konunun basitliğinde yatıyor. Neden bunu daha önce kimse düşünmedi? Snigirev bunun nedenini bilmediğini belirtiyor ve “Belki de fazla basitti” diye ekliyor.
Welbourne, L., New Scientist, 15 Şubat 1997 Çeviri: Bezen Hind