מכשיר ספקטרומטר בעל רגישות שיא

ספקטרוסקופ בעל ביצועים ייחודיים, המסוגל לאתר כמויות זעירות של שרידי גזים בזמן אמת, פותח ע”י מדענים ממכוני מחקר צרפתיים וגרמניים במסגרת מיזם אירופאי משולב.

הצוות הבינלאומי, בראשות חתן פרס הנובל לפיסיקה לשנת 2005, החוקר Theodor W. Hänsch והחוקרת הצרפתייה Nathalie Picqué, תכנן מכשיר המבוסס על שני מקורות לייזר בתדירות של פמטו-שניות (femtosecond, אלפית של ננו-שנייה). בזכות ביצועיו פורצי-הדרך של מכשיר זה, הספקטרומטר (spectrometer, מד ספקטרום, מכשיר למדידת קווי ספקטרום) יוכל להפוך לתו-תקן חדש עבור ספקטרוסקופיה רגישה ביותר. המכשיר החדש מהווה צעד משמעותי קדימה עבור מחקר בסיסי וכן עבור תחומים יישומיים רבים, ומרכיביו מוסברים בפירוט במאמר שפורסם בכתב-העת המדעי Nature Photonics.

בשנים האחרונות קיים עניין רב בספקטרוסקופיה של שרידי גזים. בזכות רגישותו הגבוהה, הספקטרומטר יוכל לשמש לגילוי תרכובות המצויות בריכוזים נמוכים ביותר. ספקטרוסקופיה זו משמשת לא רק במחקר בסיסי אלא גם בתחומים כגון מטרולוגיה (תורת המידות והמשקלים), הכימיה הפיסיקלית של התווך הבינכוכבי, הגילוי של כמויות זעירות של מזהמים באוויר, ניטור של תהליכים תעשייתיים וכו'.

אולם, לשם הפיתוח של ספקטרומטר יעיל נדרשים מספר מאפיינים הכרחיים, שהם:

1. היכולת לפעול בטווח נרחב של אורכי-גל תוך מדידה יחידה, כך שאפשר לקבל מידע לגביי רמות אנרגיה רבות בעת ובעונה אחת עבור ספקטרוסקופיה בסיסית, או לאתר נוכחות של מספר תרכובות שונות בו-זמנית עבור תחומים יישומיים;
2. קיום של סף רזולוציה (כושר-הפרדה) טוב, כלומר – היכולת להבדיל כראוי בין אורכי-הגל השונים המרכיבים את הספקטרום. מאפיין זה הכרחי בספקטרוסקופיה בסיסית בכדי להבין את הספקטרום הצפוף של תרכובות מורכבות, ובתחומים יישומיים בכדי להבדיל ברמת וודאות גבוהה בין חומרים שונים הקיימים בדוגמת הבדיקה;
3. קיום זמן מדידה מהיר ככל האפשר, כדי שיהיה ניתן להבחין בתופעות ארעיות ומהירות, כגון תגובות כימיות, התפוצצויות וכו', בזמן אמת;
4. קיום רגישות גבוהה כך שניתן יהיה להבחין במעברים מולקולאריים חלשים בספקטרוסקופיה בסיסית, ובתרכובות המצויות בריכוזים נמוכים בדוגמת הבדיקה בתחומים יישומיים.

עד היום, באף מכשיר מדידה לא שולבו כל ארבעת המאפיינים בו-זמנית. עתה, בספקטרומטר שפותח, לראשונה אי-פעם, נמצאה הפשרה שבין מגבלות אלו בהיותו מבוסס על חרירים עדינים ביותר ושני מקורות לייזר. השיטה החדשה מאפשרת קבלת ספקטרא ברגישות גבוהה, ובמהירות של פי מיליון מכל מכשירי הספקטרומטריה הטובים ביותר הקיימים היום.

במדידת הדגמה, הספקטרום של אמוניה, פרודה בעלת חשיבות מרובה במדעי הסביבה ובמדעי כוכבי-הלכת, נמדד תוך זמן של 18 מיקרו-שנייה: הרגישות שהתקבלה הייתה טובה פי עשרים, כאשר זמן המדידה היה נמוך פי מאה מהתוצאות הטובות ביותר שהתקבלו בעבור חומר זה. בזכות רגישות גבוהה שכזו, ובזכות היכולת לפעול בכל התחומים של הספקטרום האלקטרומגנטי, שיטה זו תוכל לשמש לבדיקה דינאמית בתחום של מרכז-אינפרא-אדום, איזור “טביעות האצבע” של פרודות, עבורו לא קיימת כיום שיטה ספקטרוסקופית יעילה בזמן אמת.

למכשיר יוכלו להיות יישומים אפשריים רבים אחרים בשלל תחומים, כגון כימיה אנליטית, פיסיקת פלסמה (חומר מיונן, מצב הצבירה הרביעי), אסטרופיזיקה מעבדתית וכן ביו-רפואה, סקרים סביבתיים ובטיחות.

הידיעה על המכשיר