Miniatur-Röntgenquelle mit schlingernden Elektronen

Münchner Physiker präsentieren eine Methode, mit der sich brillante Röntgenstrahlung auch im Labormaßstab erzeugen lassen könnte.

Mit Röntgenstrahlen lässt sich die Struktur unterschiedlichster Materie bis in kleinste Dimensionen untersuchen. Davon profitieren Physik, Chemie und Materialwissenschaften genauso wie die Lebenswissenschaften und die Medizin. Doch um wirklich hochqualitative Aufnahmen mit atomarer Auflösung zu erhalten, sind Röntgenquellen mit immer höherer Intensität nötig, die sich zudem immer besser kontrollieren lassen. Das gelingt derzeit nur mit großen Synchrotronanlagen, die Elektronen in einem kilometerlangen Ring beschleunigen. Auf ihrem kreisförmigen Weg emittieren die Elektronen „brillante“ Röntgenstrahlung von hoher Qualität.

Einem internationalen Team vom Münchener Exzellenzcluster „Munich-Centre for Advanced Photonics“ (MAP) ist es nun erstmals im Labormaßstab gelungen, weiche Röntgenstrahlung mithilfe von Laserlicht zu erzeugen. Die Forscher generieren Pulse von Elektronen durch intensive Laserblitze, die nur wenige Femtosekunden lang dauern, also nur ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde. In dieser ultrakurzen Zeit erreichen die Lichtpulse Leistungen von rund 40 Terawatt. (Das ist, zumindest in der kurzen Zeitspanne, tausendmal mehr als die Leistung eines Atomkraftwerks von rund 1000 Megawatt.) Derselbe Laserstrahl beschleunigt die Elektronenpulse auf annähernd Lichtgeschwindigkeit in einer tausendmal kürzeren Distanz als bisherige Techniken dafür benötigen. Anschließend werden diese in einen kurzen Undulator fokussiert, der im Inneren magnetische Felder hat. Diese Felder zwingen die Elektronen auf einen Schlingerkurs, was zur Folge hat, dass sie Röntgenstrahlung emittieren. Das ist ein erster Meilenstein für eine platzsparende und kostengünstigere Alternative zu den großen Beschleunigeranlagen.

Im Münchner Experiment werden die Elektronen auf einer Strecke von nur 15 mm beschleunigt, was einer tausendmal kürzeren Distanz entspricht, als sie von bisher verwendeten Technologien benötigt wird. Der Undulator, in den sie anschließend gelangen, ist nur rund 30 Zentimeter lang und fünf Zentimeter breit. Bis heute konnte man in einem anderen Experiment, das ähnlichen Methoden verwendet, lediglich Licht im langwelligeren sichtbaren oder infraroten Bereich erzeugen. Im nächsten Schritt will das MAP-Team versuchen, die Wellenlänge des erzeugten Röntgenlichts weiter zu verkürzen. Die Strahlung soll dann nur noch eine Wellenlänge von wenigen Zehntel Nanometer haben. Dann lassen sich neue, detaillierte Einblicke in den Mikrokosmos gewinnen oder sogar in der Medizin kleinste Tumore frühzeitig erkennen.

Thorsten Naeser / AP

AH