29.12.2010

Kostengünstige Alternative zu X-FEL

Eine wesentlich kleinere und günstigere Anlage zur zeitlich hochaufgelösten Aufnahme von Molekülbewegungen nutzt Elektronen anstelle von Röntgenstrahlung.

Eine wesentlich kleinere und günstigere Anlage zur zeitlich hochaufgelösten Aufnahme von Molekülbewegungen nutzt Elektronen anstelle von Röntgenstrahlung.

An der Stanford Universität in den USA steht ein X-FEL (X-ray Free Electron Laser) im Wert von mehreren hundert Millionen Euro. Dieser ermöglicht zeitlich hochaufgelöste Aufnahmen von Molekülbewegungen mit Hilfe eines kilometerlangen Elektronenbeschleunigers. Jetzt haben Forscher um Marnix van der Wiel von der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden ein Gerät entwickelt, das ebenfalls einen Teil der Fähigkeiten von X-FEL besitzt, dabei jedoch auf einen Schreibtisch passt und nur eine halbe Million Euro kosten soll.

Abb.: Thijs van Oudheusden mit seiner X-FEL-Alternative. (Bild: Bart van Overbeeke)

Das System, das Wissenschaftlern erlaubt molekulare Prozesse atomarer Größenordnungen in ultrakurzen Zeitschritten zu beobachten, verwendet Elektronen anstelle von Röntgenstrahlung. "Warum soll man Elektronen in Röntgenstrahlung umwandeln, wenn man einfach die Elektronen direkt verwenden kann?" fragt Projektleiter Thijs van Oudheusden. Beim X-FEL werden zuerst Elektronen über eine Strecke von einem Kilometer oder länger beschleunigt und anschließend in Röntgenstrahlung umgewandelt. Dies erfordert viel Energie und ein mehrköpfiges Team zur Nutzung der Anlage. "Wenn man den Elektronen eine niedrige Energie gibt, kann man sie stattdessen auf einer Strecke von einem Zemtimeter beschleunigen," so Oudheusden.

Die größte Schwierigkeit bei der Umsetzung dieser Idee war die Abstoßung der Elektronen untereinander innerhalb eines Wellenpakets. Die Pakete expandierten und wurden länger als 100 Femtosekunden - und damit zu lang für hochauflösende "Video-Mikroskopie". Der Schlüssel zur Verhinderung dieser unerwünschten Expansion war die Erzeugung von Elektronenpaketen, die genau die richtige Form hatten, um durch elektrische Felder kontrolliert und fokussiert zu werden. Dabei muss die Anzahl der Elektronen hoch genug sein (eine Million), um mit einem einzigen Paket ein Beugungsmuster zu erzeugen.

Van der Wiel ist davon überzeugt, dass mindestens die Hälfte der Forschungsarbeiten, die am X-FEL durchgeführt werden, auch mit dem neuen Gerät durchführbar sind. Das zu diesem Zweck gegründete Spin-Off AccTec BV soll nun ein marktreifes Produkt bauen und an Forschungseinrichtungen verkaufen.

Technische Universität Eindhoven / AL


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