Cette photographie montre deux éléments MEMS sur une seule puce, avec les éléments actifs de 250 m × 250 m. Une micrographie (en haut) la taille réelle de l'élément diffractif, par rapport à une section de cheveux humains (encart du bas). Crédit :Jin Wang
Les chercheurs ont développé de nouvelles optiques à rayons X qui peuvent être utilisées pour exploiter des impulsions extrêmement rapides dans un boîtier nettement plus petit et plus léger que les appareils conventionnels utilisés pour moduler les rayons X. Les nouvelles optiques sont basées sur des dispositifs microscopiques à base de puces connus sous le nom de systèmes microélectromécaniques (MEMS).
« Notre nouvelle optique sur puce ultrarapide est prête à permettre la recherche et les applications des rayons X qui pourraient avoir un large impact sur la compréhension des produits chimiques en évolution rapide, processus matériels et biologiques, ", a déclaré le chef de l'équipe de recherche Jin Wang du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie. "Cela pourrait aider au développement de cellules et de batteries solaires plus efficaces, matériels et dispositifs de stockage informatique avancés, et des médicaments plus efficaces pour lutter contre les maladies."
Dans la revue The Optical Society (OSA) Optique Express , les chercheurs ont fait la démonstration de leur nouveau dispositif d'optique à rayons X sur puce, qui mesure environ 250 micromètres et ne pèse que 3 microgrammes, utilisant la source de rayons X du synchrotron Advanced Photon Source d'Argonne. Le petit appareil a effectué 100 à 1, 000 fois plus rapide que les optiques à rayons X classiques, qui ont tendance à être encombrants.
"Bien que nous ayons fait la démonstration de l'appareil dans une grande installation de synchrotron à rayons X, lorsqu'il est pleinement développé, il pourrait être utilisé avec des générateurs de rayons X conventionnels trouvés dans les laboratoires scientifiques ou les hôpitaux, ", a déclaré Wang. "La même technologie pourrait également être utilisée pour développer d'autres dispositifs tels que des systèmes d'administration de doses précises pour la radiothérapie ou des scanners à rayons X rapides pour des diagnostics non destructifs."
Capturer des processus rapides
Les rayons X peuvent être utilisés pour capturer des processus très rapides tels que des réactions chimiques ou l'évolution rapide de la dynamique des molécules biologiques. Cependant, cela nécessite un appareil photo extrêmement rapide avec une vitesse d'obturation rapide. Étant donné que de nombreux matériaux opaques à la lumière sont transparents aux rayons X, il peut être difficile d'améliorer la vitesse des obturateurs efficaces pour les rayons X.
Le nouveau dispositif MEMS à rayons X est utilisé à l'intérieur de cette enceinte d'expérimentation à la source avancée de photons. Montré est le diffractomètre à 6 cercles qui manipule l'optique MEMS dans une chambre à vide. Crédit :Jin Wang
Pour résoudre ce défi, l'équipe de recherche, composé de scientifiques de la source avancée de photons d'Argonne et du centre pour les matériaux à l'échelle nanométrique, tourné vers les appareils basés sur MEMS. "En plus d'être utilisé dans de nombreux appareils électroniques que nous utilisons quotidiennement, Les MEMS sont également utilisés pour manipuler la lumière pour une communication à grande vitesse, ", a déclaré Wang. "Nous voulions savoir si les dispositifs photoniques basés sur les MEMS peuvent effectuer des fonctions similaires pour les rayons X comme ils le font avec la lumière visible ou infrarouge."
Dans le nouveau travail, les chercheurs montrent que la taille et le poids extrêmement petits de leur obturateur à base de MEMS lui permettent d'osciller à des vitesses équivalant à environ un million de tours par minute (tr/min). Les chercheurs ont tiré parti de cette vitesse élevée et de la propriété de diffraction des rayons X du matériau MEMS pour créer un obturateur de rayons X extrêmement rapide.
Augmenter la vitesse d'obturation
En utilisant leur nouvelle optique sur puce avec des rayons X produits par Advanced Photon Source, les chercheurs ont démontré qu'il pouvait fournir une vitesse d'obturation stable aussi rapide qu'une nanoseconde avec un contraste marche/arrêt extrêmement élevé. Cela pourrait être utilisé pour extraire des impulsions de rayons X uniques de la source, même si les impulsions n'étaient distantes que de 2,8 nanosecondes.
« Nous montrons que notre nouvelle technologie à base de puces peut exécuter des fonctions impossibles avec les grandes optiques conventionnelles, ", a déclaré Wang. "Cela peut être utilisé pour créer des sondes ultrarapides pour étudier des processus rapides dans de nouveaux matériaux."
Les chercheurs travaillent maintenant à rendre les appareils plus polyvalents et robustes afin qu'ils puissent être utilisés en continu sur de longues périodes. Ils intègrent également les systèmes périphériques utilisés avec les minuscules dispositifs MEMS à puce dans un instrument autonome déployable.
