Когда альфа-частица проносится сквозь газ, она оставляет за собой не сплошной след, а цепочку отдельных ионизаций — крошечных вспышек, где от атомов оторваны электроны. В живой клетке такие вспышки повреждают ДНК, и чем плотнее они собраны в клубок, тем серьёзнее урон. Прибор, который мог бы считать эти клубки в объёме размером с саму ДНК, до сих пор оставался громоздким лабораторным монстром. Новая работа делает первый шаг к тому, чтобы уместить такой счётчик в коробку размером с ладонь.
Детектор построен вокруг пластины из обычного текстолита или акрила, в которой просверлено семь отверстий диаметром меньше миллиметра. Над пластиной создаётся слабое электрическое поле, которое медленно сносит ионы к отверстиям, а внутри каждого отверстия поле резко усиливается. Когда ион попадает в такое отверстие, он запускает лавину — каскад новых зарядов, который усиливает сигнал настолько, что его можно увидеть на осциллографе. В эксперименте альфа-частицы от источника америций-241 пролетали через пропан при давлении в сто раз ниже атмосферного. При таком разрежении миллиметровые расстояния в газе соответствуют нанометровым в воде, поэтому отверстие диаметром 0,8 миллиметра «видит» объём, который в живой ткани занял бы всего восемь нанометров — это примерно ширина трёх витков спирали ДНК.
Результаты показали, что от одной альфа-частицы детектор действительно регистрирует несколько импульсов, приходящих почти одновременно. Для пластины из акрила среднее число импульсов достигало почти двух на одну частицу, а времена прихода укладывались в пятнадцать микросекунд — ровно столько, сколько нужно ионам, чтобы добраться от места рождения до отверстий. Это значит, что гребёнка собирает ионы не случайно, а из одного и того же клубка. Однако ожидаемых десятков импульсов не было: пластина ловила лишь малую часть ионов, потому что многие из них оседали на поверхности диэлектрика и заряжали её. Зарядка меняла электрическое поле, и чувствительность прибора плыла от измерения к измерению.
Несмотря на скромную эффективность, работа впервые показала, что групповая многоотверстная структура способна извлекать ионы из единого нанометрового объёма. До сих пор компактные нанодозиметры не существовали вовсе: все приборы, способные измерять распределение кластеров ионизации, занимали целые столы и требовали сложной электроники. Теперь появился прототип, который можно уменьшать дальше, добавляя независимое считывание с каждого отверстия и заменяя пропан на азот, чтобы плёнка не нарастала. Если такие приборы станут достаточно стабильными, они смогут проверять качество пучков в протонной терапии и оценивать радиационную опасность в космосе — прямо на месте, без громоздких установок.
Гребёнка с редкими зубьями пока не вычёсывает весь клубок, но она уже показала, что каждый зуб может работать сам по себе. Следующий шаг — сделать зубья независимыми и покрыть их материалом, который не боится заряда. Тогда счётчик ионов станет не лабораторной диковиной, а рабочим инструментом в руках врача или инженера по радиационной защите.
При давлении 1 мбар пропана отверстие диаметром 0.8 мм соответствует объёму в воде диаметром около 8.4 нм — это примерно ширина трёх витков ДНК.