Sandwich-Struktur bündelt Röntgenstrahlung

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.

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.“

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Vassholz & T. Salditt: Observation of electron-induced characteristic x-ray and bremsstrahlung radiation from a waveguide cavity, Sci. Adv. 7, eabd5677 (2021); DOI: 10.1126/sciadv.abd5677
• Salditt Gruppe, Institut für Röntgenphysik, Georg-August-Universität Göttingen