27.01.2021

Sandwich-Struktur bündelt Röntgenstrahlung

Neue Methode erzeugt und leitet die Strahlen simultan.

Röntgenstrahlung ist meist ungerichtet und schwer zu leiten. Forscher der Universität Göttingen haben jetzt eine neue Methode entwickelt, mit der die Röntgen­strahlen genauer in eine Richtung abgestrahlt werden können. Dazu verwenden die Wissen­schaftler eine Struktur von dünnen Schichten aus Materialien verschiedener Elektronen­dichte, um die erzeugten Strahlen gleich­zeitig abzulenken und zu bündeln.

Abb.: Die Röntgen­strahlen (violett) werden erzeugt und aus­ge­sendet. Dazu...
Abb.: Die Röntgen­strahlen (violett) werden erzeugt und aus­ge­sendet. Dazu wird eine Schicht­struktur, die den Strahl führt, mit Elek­tronen (gelb) be­schossen. (Bild: J. Hilbig, GAU)

Für die Erzeugung von Röntgen­strahlung in gewöhnlichen Röntgen­röhren prasseln Elektronen, die durch Hoch­spannung beschleunigt wurden, auf eine Metall­anode. Durch die Atome im Metall werden die Elektronen abgelenkt und abgebremst, oder die Elektronen regen die Metall­atome durch Stöße an. Sowohl das Abbremsen der Elektronen als auch die Anregung der Metall­atome führen zur Aussendung von Röntgen­strahlung. Leider wird die Strahlung in alle Richtungen gleicher­maßen ausgesendet und lässt sich anschließend nur schwer wieder zu einem gerichteten Strahl bündeln. Außerdem sind die Wellen­züge der Röntgen­strahlung völlig zufällig und ungeordnet.

Die Forscher der Uni Göttingen haben einen neuartigen Effekt beobachtet, wenn man die Anode durch eine geeignete Struktur von dünnen Schichten aus Materialien verschiedener Elektronen­dichte ersetzt. Dabei müssen die Schicht­dicken der Sandwich­struktur einige Nano­meter betragen. Wählt man eine besondere Abfolge der Schichten, so können die Röntgen­strahlen geleitet werden. „Prasseln die beschleunigten Elektronen auf diese Sandwich­struktur, so ändert sich das Winkel­spektrum der erzeugten Röntgen­strahlung“, sagt Malte Vassholz von der Uni Göttingen, „die erzeugte Röntgen­strahlung wird gleich­zeitig in eine bestimmte Richtung geleitet.“

Durch detaillierte numerische Rechnungen lassen sich die Ergebnisse im Modell nach­voll­ziehen und für eine gegebene Wahl der Struktur berechnen. „Durch Optimierung der Struktur ließe sich der Effekt unseren Rechnungen nach weiter steigern und für die Erzeugung von Röntgen­strahlung mit höherer Brillanz nutzen“, sagt Tim Salditt von der Uni Göttingen. Dabei besteht die Hoffnung, dass Röntgen­messungen, die bislang nur an großen Beschleunigern möglich sind, zum Teil auch im Labor möglich sein könnten, so der Forscher: „Besonders interessant sind Anwendungen der Röntgen­bild­gebung mikro­skopisch kleiner und kontrast­schwacher Objekte wie zum Beispiel weiche biologische Gewebe.“

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