Optimierung wissenschaftlicher Geräte durch ultraschnelle Röntgendetektoren

Eine ultraschnelle Röntgen-Streifen-Kamera mit einer Zeitwiederholungsrate von 5Hz bis 7kHz wird voraussichtlich den Weg für zukünftige Forschungsarbeiten zu Atombewegungen bahnen.

Wissenschaftliche Forschungen in den Bereichen Physik, Chemie und Biologie erfordern oft die Untersuchung von ultraschnellen transienten Strukturen. Atombewegungen, die einen Vibrationsvorgang dominieren, stellen die kürzeste Dauer dar, die normalerweise 100 Femtosekunden beträgt. Dieses Phänomen der Atombewegung kann nur mit Hilfe von Strahlen mit sehr kurzen Wellenlängen, wie beispielsweise Röntgenstrahlen, beobachtet werden.

Die ultraschnelle optische Spektroskopie ist eine nützliche Methode zur Ermittlung elektronischer Veränderungen. Dennoch erscheint sie als unzureichend, wenn sehr schnelle strukturelle Neuordnungen beobachtet werden sollen. In solchen Fällen kann sich die Beugung der Röntgenstrahlen als wichtige Hilfe bei der detaillierten Charakterisierung von Strukturen auf Atomebene herausstellen, da so die Verfolgung der Reaktionszwischenprodukte möglich wird.

Obwohl derzeitige Tools und Messausrüstungen, wie beispielsweise Synchrotrone, sehr schnell verfahren, wird eine kürzeste mögliche Dauer von 30-100ps für die zeitliche Auflösung in Experimenten geboten. Neuste Entwicklungen im Bereich der röntgenfreien Elektronen-Laser könnten zukünftig umfangreiche ultraschnelle Röntgentechnologien möglich machen. Im Rahmen des FAMTO-Projekts wurde sich jedoch auf die Verbesserung bereits existierender Messausrüstungen konzentriert.

Genauer gesagt wurde der Einsatz der Beugung von Röntgenstrahlung für die Untersuchung kurzlebiger transienter Spezies erweitert. Dabei wird eine Sub-Picosekunden-Auflösung angewendet. Ein zentrales Projektergebnis beinhaltete eine neue Ausgabemethode für ultraschnelle Röntgen-Streifen-Kameras, die der mit Zeit in Verbindung stehenden Ein-Photon-Zähl-Methode für zeitauflösende Spektroskopie an Atomen ähnlich ist. Dadurch kann die zeitliche Auflösung von wenigen ps auf 500fs verbessert werden und die Wiederholungsrate kann von wenigen Hz auf 7kHz erhöht werden.

Die Methode ermöglicht den Einsatz an Synchrotronen und Lasergeräten in einem äußerst kosteneffektiven Maße. Speziell für Synchrotrone kann die zeitliche Auflösung von 100ps auf mehrere 100 Femtosekunden erhöht werden. Darüber hinaus kann mittels des Röntgendetektors eine einzigartige Wiederholungsrate für Datenerfassung geboten werden, die höher als bei jedem vergleichbaren Gerät ist.