Röntgenquellen, die fünfte
Ultrakurze Laserpulse könnten zu kleineren und günstigeren Röntgenquellen fürs Labor führen.
Wollen Forscher ins Innere von Atomen schauen, den Ablauf chemischer Reaktionen in Echtzeit verfolgen oder Prozesse an Nanomaterialien beobachten, dann nutzen sie intensive Röntgenstrahlung. Mit ultrakurzen Röntgenpulsen, wie etwa am Röntgenlaser FLASH des Hamburger DESY, lassen sich extrem schnelle Vorgänge bis in den Nanometer-Bereich auflösen. Doch die Messzeit an diesen Großanlagen ist begrenzt und enorm teuer.
Abb.: Michael Schnell von der Uni Jena arbeitet mit dem „JETI“, dem Jena-Titan-Saphir-Laser. Ultrakurze Laserblitze führen zu Röntgenpulsen, mit denen sich magnetische Strukturen untersuchen lassen. (Bild: J.-P. Kasper, FSU).
„Derzeit sind gerade die ersten Röntgenquellen der vierten Generation im Einsatz und weitere werden in den nächsten Jahren folgen“, sagt Christian Spielmann von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. „Allerdings“, so Spielmann weiter, „zeichnet sich bislang jede neue Generation durch eine noch größere Anlage aus, die wieder um Vieles teurer als ihr Vorgänger ist.“
Der Jenaer Physiker hat gemeinsam mit Kollegen der Universitäten Jena und Düsseldorf sowie des Jenaer Helmholtz-Instituts jetzt einen wichtigen Schritt zur Entwicklung einer neuen – der fünften – Generation von Röntgenquellen vollzogen. „Diese neue Reihe soll vor allem kompakter und dadurch kostengünstiger sein“, erläutert Spielmann. Dem Forscherteam ist es gelungen, Röntgenpulse mit exakt definierten Eigenschaften zu erzeugen – und das nicht an einem Teilchenbeschleuniger, sondern im kleinen Labormaßstab.
Dazu fokussieren die Forscher ultrakurze Laserpulse in einen Strahl aus Heliumgas. Diese reißen Elektronen aus den Heliumatomen und beschleunigen sie auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. „Gleichzeitig beginnen die Elektronen zu schwingen“, erklärt Michael Schnell, „diese Schwingung führt schließlich zur Emission von Röntgenstrahlung, deren Eigenschaften von der genauen Bewegung der Elektronen abhängen.“ Die Jenaer Forscher können so die Schwingungsrichtung der beschleunigten Elektronen durch die Eigenschaften des eingesetzten Laserimpulses exakt bestimmen und kontrollieren.
„Damit ist die Grundlage geschaffen, diese im kleinen Maßstab erzeugten Röntgenpulse für diverse Anwendungen nutzbar zu machen“, ist Spielmann überzeugt. So sei die Schwingungsrichtung der Elektronen einerseits wichtig für die Ankopplung an weitere Beschleuniger. „Zum anderen bestimmt sie den Polarisationszustand der resultierenden Röntgenstrahlung.“ In ihren Experimenten konnten die Jenaer Forscher zum ersten Mal messen, dass die Elektronen vorzugsweise in einer Ebene schwingen und daher linear polarisiert sind. Linear polarisierte Röntgenimpulse lassen sich künftig beispielsweise dazu nutzen, magnetische Strukturen zu analysieren und mit diesen Erkenntnissen magnetische Speichermedien zu verbessern.
FSU / DE
