Elektronen auf optischem Schlingerkurs

Seit rund 110 Jahren verlässt sich die Medizin auf Röntgen­strahlung und damit auf das Prinzip der Röntgen­röhre. Ihr Haupt­nachteil ist die schlechte Bündelung der emittierten Strahlung, das heißt sie kommt aus einer großen Quelle, wird in alle Richtungen emittiert und hat ein breites Energiespektrum. Das führt bei der Bildgebung zu relativ schlechter Auflösung feiner Struktur-und Gewebe­unterschiede. Bessere Auflösung erzielen Synchro­tron-Röntgen­quellen, deren Dimensionen und Kosten jedoch den Einsatz im Krankenhaus verhindern. Doch es gibt eine Alternative, denn ähnlich gut wie Synchro­tron-Strahlung, aber ungleich kompakter, geht es mit Laserlicht: Es beschleunigt Elektronen und zwingt sie auf Wellenbahnen. Aus diesen Bewegungen gewinnt man harte und gleich­zeitig brillante Röntgen­strahlung und macht damit kleinste Details in Materie sichtbar. Das ist jetzt Physikern des Labors für Atto­sekunden­physik LAP an der Uni München und dem MPI für Quantenoptik erstmals gelungen.

Die Forscher haben diese Röntgenstrahlung mit Hilfe von Laserlicht in verschiedenen Wellenlängen und mit extrem kurzer Dauer produziert, je nach den Bedürfnissen für die Anwendung. So können nun Strukturen in Materialien aufgefunden werden, die nur wenig mehr als zehn Mikrometer groß und unterschiedlich zusammengesetzt sind. Daraus ergeben sich vielversprechende Perspektiven in den Materialwissenschaften, der Biologie und vor allem der Medizin. Will man kleinste Strukturen in Materie sichtbar machen, braucht man ein Licht, das kurze Wellenlängen besitzt und über eine hohe Brillanz verfügt. Harte Röntgenstrahlung ist dafür das Licht der Wahl, da es Materie durchdringt und über Wellenlängen von wenigen Hundertstel Nanometern verfügt. Harte und gleichzeitig brillante Röntgenstrahlung wird heute in großen und teuren Beschleunigeranlagen produziert. Doch es geht Platz sparender und billiger.

Einen großen Schritt auf diesem Weg in die Zukunft hat das bayerische Team geschafft. Die Forscher um Stefan Karsch und Laszlo Veisz haben harte, brillante Röntgenstrahlung mit Hilfe von Licht erzeugt. Ihre Wellenlänge ist zudem anpassbar auf die Bedürfnisse ihrer Anwendung. Die Wissenschaftler schickten Laserpulse von rund 25 Femtosekunden Dauer und einer Leistung von 60 Terawatt auf Wasserstoffatome. Dabei lösten die elektrischen Felder des Lichts die Elektronen von den Atomkernen und räumten sie wie ein Schneepflug aus dem Weg. Übrig blieben die Ionen. Die Trennung der Ladungen bewirkt sehr starke elektrische Felder, die dazu führen, dass die weggeräumten Elektronen wieder zurückfedern und zu schwingen anfangen, was die Ausbildung einer Wellenstruktur in Plasma zur Folge hat. Diese läuft dem Laserpuls mit fast Lichtgeschwindigkeit hinterher, ähnlich wie die Kielwelle eines Boots auf der Wasseroberfläche. Einige der freien Elektronen werden eingefangen und reiten auf ihr ähnlich wie Surfer in der Brandung, wobei sie immer in Richtung des Laserpulses fast bis auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden.

Sobald die Elektronen ihre maximale Geschwindigkeit erreicht haben, treffen sie frontal auf einen gegenläufigen Lichtpuls. Dessen elektrische Felder in Wellenform zwingen die Elektronen auf einen ebenso wellenförmigen Schlingerkurs, wobei sie senkrecht zur Flugrichtung beschleunigt und wieder abgebremst werden. Das System nennt man optischen Undulator. Die Teilchen senden dabei brillante Röntgenstrahlung aus, die eine Wellenlänge von bis zu 0,03 Nanometer hat. Zudem ließen sich bei diesen Experimenten zum ersten Mal die Oberschwingungen der Elektronenbewegung im Lichtfeld direkt im Röntgenspektrum sichtbar machen, was an Beschleunigeranlagen immer wieder versucht wurde.

Im Vergleich zu bisherigen Röntgenquellen bietet das System einen großen Vorteil: die Durchstimmbarkeit der emittierten Wellenlänge über einen großen Bereich. Daraus ergibt sich zum Beispiel in der Medizin die Möglichkeit, verschiedene Arten von Gewebe genau zu analysieren. Denn je feiner abgestimmt die Röntgenstrahlung ist, desto genauer werden die Informationen, die man gewinnt.

Doch das ist noch nicht alles: Denn nicht nur durch die abstimm­bare Wellen­länge und hohe Brillanz gewinnt die licht­getriebene Strahlung an Qualität, sondern auch durch ihre gepulste Form. Denn aus den Femto­sekunden-langen Laserpulsen entstehen rund fünf Femto­sekunden lange Röntgenpulse. Daraus werden sich neue Anwendungen ergeben, wie zum Beispiel zeitaufgelöste Spektroskopie zur Untersuchung ultraschneller Vorgänge im Mikrokosmos. Noch verfügt die neue Lichtquelle nicht über eine genügend hohe Intensität, also nicht genügend Lichtteilchen pro Puls. Die Pulse mit mehr Lichtteilchen anzureichern, werden die Physiker nun im neuen Centre for Advanced Laser Applications CALA versuchen, das gerade auf dem Campus Garching gebaut wird.

Dann kann die neue, lichtgetriebene Strahlung zum Beispiel mit dem so genannten Phasen­kontrast-Röntgen­tomo­graphie-Bild­gebungs­verfahren gekoppelt werden, das Franz Pfeiffer an der TU München verfeinert. Dabei nutzt man im Gegensatz zur üblichen Absorption der Strahlung ihre Brechung an Objekten. „Damit können wir heute schon bis zu zehn Mikrometer kleine Strukturen in nicht durch­sichtigen Objekten aufspüren“, erläutert Karsch. „Mit der neuen Röntgen­quelle werden wir dann noch genauere Informationen aus Gewebe oder anderem Material gewinnen“, ist Karsch überzeugt.

MPQ / DE