Nowo otwarte Laboratorium Zaawansowanych Technik Rentgenowskich na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej oferuje dostęp do wiązki promieniowania rentgenowskiego o parametrach dostępnych w ośrodkach synchrotronowych. Nowa infrastruktura umożliwi prowadzenie zaawansowanych badań w zakresie inżynierii materiałowej, biomedycyny, chemii czy farmacji.
Techniki rentgenowskie najczęściej kojarzone są z medycyną, gdzie RTG i tomografia komputerowa wykorzystywane są do obrazowania schorzeń i urazów. Możliwe jest to dzięki temu, że różne tkanki w odmienny sposób absorbują promienienie rentgenowskie (X), w związku z czym dają w badaniach unikalny obraz.
Paleta technik wykorzystujących promieniowanie rentgenowskie znacznie wykracza jednak poza zastosowania typowo medyczne, umożliwiając badanie struktury także wielu innych materiałów niż tkanki biologiczne, a nawet precyzyjne określanie ich składu chemicznego.
Stosowanie wielu z tych metod wymaga jednak używania wiązek promieniowania o bardzo wysokich intensywnościach, których nie byłaby w stanie wygenerować zwykła lampa rentgenowska.
Tak intensywne wiązki promieniowania możliwe są do uzyskania w synchrotronach, czyli gigantycznych urządzeniach w kształcie pierścieni, o obwodach liczonych w dziesiątkach metrów, w których elektrony są w tym celu rozpędzane do prędkości bliskich prędkości światła. Kiedy tor ich poruszania się ulega wymuszonemu zakrzywieniu, towarzyszy temu emisja promieniowania, którą można wykorzystać do celów badawczych.
Niedostępne wcześniej w Polsce techniki badawcze
Choć w Krakowie znajduje się synchrotron SOLARIS, należący do Uniwersytetu Jagiellońskiego, to udostępnione linie badawcze nie pokrywają pełni możliwości badań z wykorzystaniem promieni rentgenowskich. Badaczki i badacze z Polski, chcący skorzystać z niektórych technik, musieli dotychczas aplikować o możliwość przeprowadzenia prac we Francji, Niemczech czy Austrii.
Teraz może się to zmienić za sprawą infrastruktury, która została udostępniona na AGH. Otwarte właśnie Laboratorium Zawansowanych Technik Rentgenowskich nie tylko oferuje niedostępne wcześniej w Polsce możliwości w zakresie badań z wykorzystaniem promieni X, ale w porównaniu z synchrotronami ma kompaktowe rozmiary – mieści się w jednym pomieszczeniu o powierzchni 36 m2 na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej (WFiIS). Składa się na nią wielofunkcyjne źródło promieniowania rentgenowskiego, system 8 detektorów jedno- i dwuwymiarowych oraz obsługująca całość aparatura komputerowa.
Niezbędna infrastruktura została zakupiona przez konsorcjum trzech wydziałów AGH, w którego skład oprócz WFiIS wchodzi również Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej oraz Wydział Energetyki i Paliw. Koszty inwestycji zostały pokryte ze środków Programu „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza” (IDUB).
System został zbudowany przez kanadyjskie przedsiębiorstwo Proto Manufactoring Ltd., ale w oparciu o specyfikację przekazaną przez AGH, co czyni go unikalnym w skali świata. Jego „sercem” jest nowoczesna lampa rentgenowska MetalJet oferowana przez firmę Excillum, która wyposażona jest anodę z ciekłego metalu, co odróżnia ją od anod stałych czy wirujących używanych w typowych aparatach RTG czy tomografach komputerowych.
Wyjątkowa lampa rentgenowska i systemy optyczne
W lampach rentgenowskich promieniowanie X powstaje w trakcie przepływu strumienia elektronów pomiędzy katodą a anodą, kiedy ta ostatnia jest „bombardowana” przez rozpędzane w tym celu elektrony. W czasie tego procesu anoda bardzo się nagrzewa, w związku z czym wymaga skutecznego chłodzenia i przy zbyt dużej intensywności strumienia cząstek może ulec przegrzaniu.
W lampach MetalJet wykonana jest z ciekłego metalu, który ulega ciągłemu odnawianiu, wskutek czego ciepło jest odprowadzane bardziej efektywnie. Dzięki temu, w laboratorium AGH możliwe jest uzyskanie wiązki promieniowania rentgenowskiego o parametrach odpowiadającym źródłom synchrotronowym.
Aparatura na AGH oferuje dostęp do wiązki o maksymalnej energii 160 keV, przy jednoczesnym dostępie do dwóch linii o charakterystycznych energiach 9,2 keV i 24 keV. Przekłada się to na możliwość badania trudno przenikliwych materiałów, a także wymagających stosowania specyficznych parametrów wiązki.
Aparatura przewyższa pod tym względem możliwości linii badawczej POLYX dostępnej na synchrotronie SOLARIS, która oferuje wiązkę promieniowania rentgenowskiego o energii 15 keV. Jednocześnie, dzięki implementacji zaawansowanych systemów optycznych, dorównuje źródłom synchrotronowym pod względem intensywności i skupienia wiązki, co ma wpływ się na szybkość i dokładność badań.
Pokaże to, czego nie widzi zwykły rentgen i tomograf

Laboratorium otwarte na AGH umożliwia stosowanie wielu zaawansowanych technik badawczych:
- Diffraction contrast tomography (DCT) – łączy metody tomografii komputerowej
z kontrastem dyfrakcyjnym, który umożliwia określanie lokalizacji i orientacji przestrzennej ziaren kryształów w materiałach krystalicznych w oparciu o to, jak załamują one fale promieniowania X,
- X-ray fluorescence tomography (XRF tomography) – umożliwia precyzyjną analizę rozkładu przestrzennego pierwiastków w trójwymiarze na postawie charakterystyki ich widma flourescencyjnego po wzbudzeniu promieniami rentgenowskimi,
- Energy dispersive diffraction (EDF) – metoda podobnie jak DCT bazująca na dyfrakcji fal promieniowania rentgenowskiego w kryształach, w przypadku której analizie poddawane są nie wzory dyfrakcji, ale energia rozproszonych promieni; szczególne zastosowanie znajduje w przypadku badania dynamicznych procesów, np. materiałów poddawanych naprężeniom,
- Phase-contrast X-ray tomography – technika łącząca tomografię komputerową
z kontrastem fazowym, gdzie oprócz absorbcji promieniowana rentgenowskiego przez strukturę materiału analizowany jest sposób, w jaki wpływa ona na przesunięcie fazowe fal promieniowania X; umożliwia to obrazowanie struktur słabo absorbujących promieniowanie rentgenowskie, np. tkanek biologicznych,
- Single-crystal X-ray diffraction (SC-XRD) – kolejna metoda podobnie jak DCT opierająca się na zjawisku dyfrakcji fal promieniowania rentgenowskiego, ale stosowana nie do badania struktury materiałów krystalicznych, ale układu atomów w pojedynczych kryształach.
Cały system oparty jest na modułowej konstrukcji, która pozwala na wymianę i kalibrację i poszczególnych elementów – np. detektorów, optyki czy układów mocowania próbek – w zależności od szczególnych potrzeb badawczych. Obszerna przestrzeń w miejscu przeznaczonym na próbki pozwala również na montaż różnego rodzaju dodatków, np. komory temperaturowej lub modułów wytrzymałościowych, pozwalających na badanie materiałów pod kątem ich stabilności temperaturowej czy odporności na ściskanie i rozciąganie.
Dzięki temu, że lampa MetalJet może generować jednocześnie dwie wiązki promieniowania rentgenowskiego w przeciwstawnych kierunkach, w przyszłości możliwe będzie uruchomienie na aparaturze dwóch niezależnych linii badawczych.
Zwiększenie szans u uzyskanie grantów europejskich
Prowadzenie badań w laboratorium będzie zorganizowane na podobnych zasadach, jak ma to miejsce w dużych ośrodkach badawczych. Badaczki i badacze, chcący skorzystać z dostępnej infrastruktury, powinni złożyć wniosek uzasadniający cel przeprowadzenia badania. Aplikacje oceni Rada Naukowa złożona z pracowników naukowych podmiotów, które tworzy konsorcjum trzech wydziałów AGH zarządzających aparaturą. W zależności od wyniku oceny, autorkom i autorom wniosków przyznawany będzie określony czas pomiarowy.
– Staranie się o duże europejskie granty naukowe wymaga dysponowania zapleczem aparaturowym umożliwiającym ich realizację. Posiadanie przez AGH własnego źródła RTG o możliwościach zbliżonych do największych europejskich ośrodków badawczych umożliwi dostęp do nowoczesnych i do tej pory niedostępnych w Polsce technik badawczych, co z pewnością ułatwi aplikowanie o ambitne projekty. Warto także wspomnieć, że wyniki badań uzyskane na dużych przyrządach badawczych i z wykorzystaniem nowatorskich technik mają zdecydowanie większy potencjał publikacyjny – wyjaśnia pomysłodawca nowego laboratorium dr hab. inż. Sebastian Wroński, profesor na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej.
Doświadczenie AGH w mikro- i nanoobrazowaniu
Laboratorium Zaawansowanych Technik Rentgenowskich rozszerza możliwości działającego od 2012 roku na WFiIS Laboratorium Mikro- i Nanotomografii (LMiNT), które prof. Wroński prowadzi wspólnie z dr. hab. inż. Jackiem Tarasiukiem, prof. AGH. Do sukcesów LMiNT należy m.in. odkrycie dokonane w 2018 roku, kiedy w trakcie badań prowadzonych w kooperacji z Instytutem Systematyki i Ewolucji Zwierząt PAN w kości mamuta odnalezionej przy ul. Spadzistej w Krakowie zidentyfikowano fragment krzemiennego grotu. Udało się dzięki temu dowieść, że łowiectwo występowało na tych terenach już 27 tys. lat temu, czyli o 2 tys. lat wcześniej niż dotychczas uważano.
LMiNT prowadzi również wiele innych badań materiałowych we współpracy z ośrodkami krajowymi i zagranicznymi. Bada m.in. kosteczki słuchowe czy zastawki serca na potrzeby implantologii.