Nukleáris morfológia

Úgy tűnik, hogy a tetrarészecskékkel történő képalkotásról írottak (lásd korábbi írásunkat) egy lépést tettek előre a gyakorlati megvalósítás útján. Elkészült az ott még csak elviekben tárgyalt alfa-részecske mikroszkóp megvalósításra alkalmas leírása, és megtörtént a szabadalmi bejelentés is. Innentől kezdve már csak idő kérdése, hogy ez a forradalmi újdonság lökést adjon a jelenleg stagnáló tudományos alapkutatásoknak.Köztudott dolog, hogy a jelenleg alkalmazott mikroszkópok (fény, elektron, térion) közül a legjobb felbontóképességű térion mikroszkóp is csak elmosódott szélű fényes foltként teszi láthatóvá az emberi szem számára az atomokat. És ugyanez áll az elektronmikroszkópra is.

Tehát ezekkel a berendezésekkel – azok nem elég jó felbontó képessége miatt – nem lehet emberi szem számára láthatóvá tenni az életfontosságú atomok (hidrogén, szén, nitrogén, oxigén, stb.) geometriai formáját. Tehát nem lehet tudni, hogy azok milyen formájúak, és hogyan, milyen felületek mentén kapcsolódnak, térben hogyan helyezkednek el. Mint ahogy nem látható az sem, hogy az egyes atomok milyen részecskékből épülnek fel.

Egy olyan berendezéssel, amelynek felbontó képessége lényegesen jobb, mint a jelenlegi berendezéseké, ez már megvalósítható lenne. Egy ilyen berendezéssel, lehetővé válna annak vizsgálata, hogy az atomok a molekulákban valójában hogyan kapcsolódnak egymáshoz és milyen a fenti molekulák valódi térszerkezete. Jelenleg ugyanis elképzelt térszerkezetekkel dolgozunk.

Láthatóvá válna a természet által legyártott, biológiailag aktív anyagok (morfium, atropin, papaverin, nikotin, vitaminok, aminosavak, stb.) valós molekulaszerkezete és térbeli szerkezete, és ezzel vélhetően a valós hatásmechanizmusukhoz is közelebb jutnánk.

Mondani sem kell, hogy egy ilyen berendezés a kémia, különösen a gyógyszerkémia fejlődésének mekkora lendületet adna.

Jelezzük, hogy a Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatalához egy ilyen berendezés találmányi leírása lett nemrégiben beadva. Ügyszám: P11oo455. A találmány címe: Alfa-mikroszkóp az atomok geometriai formájának, szerkezetének és az atomhalmazokban lévő kapcsolódási módjaik láthatóvá tételére.

A találmányban már kiküszöbölésre került az elektronmikroszkópok technológiájában fellelhető minden olyan konstrukciós hiba, amelyek az optikai leképezés összefüggéseinek figyelembe nem vétele miatt nem tették lehetővé a maximális felbontóképesség és a kontrasztos leképezés elérését.

A találmány leírását, és a berendezés rajzát az alábbiakban ismertetjük.

Alfa-részecske mikroszkóp az atomok geometriai formájának, szerkezetének és az atomhalmazokban lévő kapcsolódási módok láthatóvá tételére

A találmány tárgya alfa-részecske mikroszkóp az atomok geometriai formájának, szerkezetének, és az atomhalmazokban lévő kapcsolódási módok láthatóvá tételére, melynek képfelbontó képessége jobb a jelenleg használt mikroszkópokéinál.

A találmány előnyösen alkalmazható a kémiai anyagok szerkezetkutatásában, ahol a jelenlegi mikroszkópok már nem használhatók.

A jelenleg használt legjobb mikroszkópok – elektronmikroszkóp, pásztázó elektronmikroszkóp, atomi-erő- mikroszkóp, térion mikroszkóp – felbontó képessége o,4 nanométer körüli. Tehát csak két olyan pontszerű testet lehet velük különállónak látni, melyeknek egymástól való távolsága nem kisebb o,4 nanométernél. Miután az atomok ilyen mérettartományba esnek, éppen csak az egyes atomok elmosódott kontúrjait láthatjuk, a részleteket már nem.

Jelenleg csak elméleti elképzelések és matematikai modellek vannak arról, hogy hogyan néznek ki az atomok, milyen a szerkezetük, és az egyes atomok hogyan kapcsolódnak egymáshoz, amikor halmazokat alkotnak. Továbbá: A jelenleg alkalmazott mikroszkópok csak nagy vákuumban képesek üzemelni.

A találmány célja a jelenleg ismert mikroszkópok hiányosságainak a kiküszöbölése.

A tudomány mai elfogadott állása az, hogy a mozgó részecskék kettős természettel bírnak. Mozoghatnak részecskeként részecskesugárzásban, vagy hullámként. Az Alfa mikroszkóp a részecskék e kettős természetét használja ki a képalkotásra. Azon a felismerésen alapul, hogy a térbeli képalkotáshoz a részecskék mindkét mozgásformájára szükség van.

Minden sebességgel rendelkező részecskéhez egy hullám tartozik, melynek hullámhossza: 

Hullámhossz = h/mv

ahol:

h: a Planck féle hatáskvantum

m: a részecske tömege

v: a részecske sebessége

mv: a részecske impulzusa

A képletből láthatjuk, hogy a részecske hullámhossza az impulzus növekedésével csökken. És minél rövidebb a hullámhossza, annál jobb a felbontóképesség érhető el vele.

Az alfa részecske tömege 7293-szor nagyobb az elektron tömegénél. A radioaktív sugárforrásokból kilépő alfa részecske sebessége 8-2o ezer kilométer/sec. E két adat figyelembevételével semmi akadálya annak, hogy egy alfa-részecskével működő képalkotó berendezés 4o-1oo-szorosan jobb felbontóképességgel működjön, mint az elektronnal üzemelő berendezések.

A jelenlegi képalkotó berendezések csak nagy-vákuumban képesek üzemelni, mivel csak így tudják az elektronokat a kellő sebességre felgyorsítani. Alfa-részecske alkalmazása esetén nem szükséges nagy-vákuumot alkalmazni, mivel az impulzusa hélium gázban csak 1o %-ot csökken 2o cm úthoz megtétele alatt.

Ezért, ha a berendezést úgy méretezzük, hogy a leképezést végző alfa-részecske/hullám úthossza ezen az értéken belül marad, még jelentős impulzussal rendelkezik ahhoz, hogy foton emisszióra késztessen egy arra alkalmas anyagot (detektor ernyőt). Így, miután a visszaverődött alfa-részecske/hullám intenzitás sűrűsége a leképezett felülettől függ, a leképező ernyőn megjelenik egy azzal azonos jel, mely megfelelő foto-optikai nagyítás után tanulmányozható.

A fenti felismerések összegzése alapján a kitűzött célt olyan berendezés kialakításával érjük el, mely rendelkezik alfa-részecske sugárforrással, alfa részecske szűrővel, béta-sugárzás leválasztóval, elforgatható mintatartó tárgyasztallal, a visszaverődött alfa-részecskéket/hullámot fókuszáló mágneses lencsével, leképező ernyővel, mérőházzal, a berendezés légtelenítésére, valamint közvetítő (hidrogén, hélium) gázzal való feltöltésére szolgáló gázfeltöltő rendszerrel, a betöltött gáz és a vizsgálandó anyag hőmérsékletét beállító egységgel, valamint több irányban elhelyezett foto-optikai megfigyelő berendezésekkel.

A berendezés úgy van méretezve, hogy az alfa-sugár/hullám úthossza a sugárforrás és a leképező ernyő között 20 cm-nél rövidebb legyen.

A találmány lényegét az alábbiakban a berendezés egy lehetséges kiviteli alakja kapcsán, a mellékelt rajzon való hivatkozással ismertetjük.

A képre kattintva nagyobb felbontású változat is elérhető. 

Az 1. rajzon jól látható, hogy a (2) alfa-részecske sugárforrás az (1) sugárzást árnyékoló tokban van elhelyezve, mely a (4o) csőben foglal helyet.  A sugárforrásból kilépő béta-részecskéket a (3) pozitív töltésű gyűrűelektróda válogatja le és egyben szűkíti az alfa-részecskenyaláb kúpját. A (3) gyűrűelektróda a pozitív feszültséget a (4) tápegységről kapja.

A már előfókuszált alfa-részecskenyaláb az (5) szűkítőn (diafragma) (p tovább fókuszálódik, gyakorlatilag közel párhuzamos lesz. A (8) párhuzamos részecskenyaláb 45 fokos szögben ütközik a (6) forgatható mintatartón lévő 7 vizsgálandó mintaanyag felületével. A mintaanyagról 45 fokos szögben visszaverődött (9) alfa-sugár/hullám a minta felszínének topológiája által már modulálva van. Ez a (9) alfa-sugár/hullám bekerül a (17) érzékelő csőbe, ahol a (18) fókuszáló mágnes és a (19) leképező ernyő van. A (19) leképező ernyőn létrejött kép a (2o) foto-optikai eszközzel vizsgálható. A fókuszáló mágnes erősségét a (21) tápegységgel szabályozzuk.

A (6) forgatható mintatartó (41) tengelye a (42) vezetőhüvelyben lévő tömítő gyűrűben és siklócsapágyban van az állandó nyomás biztosítása érdekében.

A mintatálca a (22) fogaskerék áttételen át a (23) léptető villanymotorral 1o fok szögekkel elforgatható. A léptető motort a (24) tápforrás látja el árammal.

A mintát a készülékbe a (38) mérőházba beépített (25) minta adagolón keresztül lehet behelyezni. A (25) mintaadagoló gáztömören zárható. A berendezésből a levegő a (26) vezetéken és a (27) tűszelepen át távolítható el.

A berendezés héliummal a (29) gázpalackból a (3o) nyomáscsökkentőn, a (31) tűszelepen, a (32) mérőórán keresztül, a (33) csövön át tölthető fel. A berendezésben lévő gáz nyomása a (34) nyomásmérővel mérhető. A héliumgáz hőmérsékletét a (35) elektromos hőmérő méri, melynek jele a (36) hőmérsékletszabályozó egységbe kerülve elindítja ill. leállítja a (37) elektromos fűtőtestet.

A fentiekben részletesen ismertetett berendezés működését – az igénypontok korlátozása nélkül – a következő példán ismertetjük:

A (25) mintabehelyező ablak nyitása után a (7) vizsgálandó mintát a (6) forgatható mintatartóra helyezzük, majd a 25 mintabehelyező ablakot légmentesen lezárjuk. 

Ezután kinyitjuk a 29 gázpalack csapját és a 3o nyomáscsökkentő szelepet 1 bar túlnyomásra állítjuk. Óvatosan nyitjuk a 27 tűszelepet és a 31 tűszelepet. A 32 gázmérő órán mérjük az átment hélium gáz térfogatát. Előnyösen a képalkotó berendezés térfogatánál kb. hússzor nagyobb mennyiségű gázt engedünk át, hogy biztosan eltávolítsuk a levegő nyomokat. Ezután zárjuk a 27 és a 31 tűszelepeket.

Előnyös, ha a berendezésben o,1 bar túlnyomást tartunk fenn, a levegő beáramlás elkerülése végett.

A 36 hőmérséklet szabályozón beállítunk 4o C fokot. Amikor a berendezésben lévő hélium gáz hőmérséklete eléri a beállított hőmérsékletet, akkor a 36 szabályozó leállítja a fűtést. Előnyös ezután még 1o percig várni, hogy az egész berendezés belseje felvegye ezt a hőmérsékletet.

A 4 tápegység segítségével aktiváljuk a 3 pozitív feszültségű gyűrűelektródát. A 2o optikai eszközzel ráfókuszálunk a 19 leképező ernyőre, majd a 18 fókuszáló mágnes erősségét a 21 szabályozóval addig növeljük, míg éles képet nem kapunk. Az élesség finombeállítását a 2o optikai eszköz utólagos állításával érjük el.

A 6 forgatható mintatartót és a 7 vizsgálandó mintát a 26 tápegység által táplált 23 léptetőmotor, a 22 fogaskerék áttétel és a 41 tengely segítségével 1o fokos elforgatásokkal 36o fokban körbeforgatjuk, tetszőleges idő alatt. Így a 7 vizsgálandó minta felülete harminchat pozícióban tekinthető meg.