Röntgenstrahlung auf den Punkt gebracht

Sie gehören zu den größten technischen Anlagen, die zu Forschungszwecken gebaut werden: riesige Teilchenbeschleuniger, durch deren kilometerlange Bahnen Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und so zur Erzeugung von Strahlung genutzt werden können.

An den leistungsstarken Beschleunigern, etwa im Hamburger DESY, erforschen Wissenschaftler u. a. wie sich laserartige Röntgenstrahlung erzeugen lässt. Die Nachfrage nach Forschungszeit an den Großanlagen ist immens und für die Wissenschaftler aus aller Welt daher eng begrenzt.

Physiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Jenaer Helmholtz-Instituts verfolgen mit Kollegen der Universität Düsseldorf deshalb einen anderen Ansatz: Sie entwickeln intensive Röntgenstrahlungsquellen im viel kleineren Labormaßstab. Wie die Forscher in einer aktuellen Publikation im Fachmagazin „Physical Review Letters“ zeigen konnten, führt auch die Wechselwirkung ultrakurzer Laserpulse mit einem Gasstrahl zur Freisetzung intensiver Röntgenstrahlung (http://prl.aps.org/abstract/PRL/v108/i7/e075001).

„Uns geht es allerdings nicht darum, den großen Beschleunigern Konkurrenz zu machen“, betont Prof. Dr. Christian Spielmann von der Uni Jena. Vielmehr sei die Entwicklung kompakter Röntgenquellen ein komplementärer Ansatz, sagt der Inhaber des Lehrstuhls für Quantenelektronik. „Denn nicht alle Forschungsfragen lassen sich mit den großen Beschleunigern beantworten“, so Spielmann, der die aktuelle Studie mit seinem Fachkollegen Prof. Dr. Malte Kaluza geleitet hat. Die im Labor erzeugten Röntgenpulse sind sehr kurz und zu einem sichtbaren Laserpuls perfekt synchronisiert. „Beides sind wichtige Voraussetzungen für die zeitaufgelöste Röntgenabsorptionsspektroskopie auf der atomaren Zeitskala.“

Ihre aktuellen Experimente haben die Jenaer Forscher am sogenannten JETI-Laser der Universität durchgeführt. JETI steht für Jena-Titan-Saphir-Laser. Der Laser sendet jeweils nur wenige Femtosekunden – Millionstel Bruchteile einer Milliardstel Sekunde – dauernde Pulse aus, die auf Heliumgas treffen. Dabei werden die Elektronen aus den Heliumatomen gerissen, organisieren sich zu Bündeln und fangen an zu schwingen. Diese Bewegung der Elektronen und die daraus resultierende Röntgenstrahlung haben die Wissenschaftler umfassend charakterisiert. So konnten sie beispielsweise zeigen, dass jeder einzelne Puls des JETI etwa eine Million harte Röntgen-Photonen erzeugt. Die Größe der Röntgenquelle liegt im Bereich von zwei Mikrometer, was sehr wichtig ist um z. B. die Strahlung gut zu fokussieren. „Daraus resultieren sehr intensive Röntgenpulse, die sich künftig in der zeitaufgelösten Laserspektroskopie anwenden lassen“, erwartet Prof. Spielmann.

Mit diesem hochauflösenden Verfahren lassen sich elementare Vorgänge, wie die Bewegung von Atomen in Molekülen oder Festkörpern, in Echtzeit abbilden. Allerdings hatte schon Ernst Abbe Ende des 19. Jahrhunderts theoretisch gezeigt, dass die Wellenlänge der Strahlung dabei nicht größer sein darf, als die kleinsten Abmessungen der Strukturen, die man abbilden möchte. „Die exakte Position von Atomen lässt sich daher mit sichtbarem Licht nicht abbilden. Mit Röntgenstrahlung, die kurzwelliger ist als sichtbares Licht, dagegen schon“, so der Jenaer Physiker. Neben einer Anwendung in der Grundlagenforschung könnten die neuen Röntgenquellen, deren Auflösung weit besser sein wird als bei aktuellen Geräten, künftig auch in der Medizin zum Einsatz kommen.

Original-Publikation:
Schnell M. et al.: Deducing the electron beam diameter in a laser-plasma accelarator using x-ray betatron radiation. Physical Review Letters 108, 075001, 2012, DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.075001 (URL: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.108.075001)
Kontakt:
Prof. Dr. Christian Spielmann
Institut für Optik und Quantenelektronik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Max-Wien-Platz 1, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947230
E-Mail: christian.spielmann[at]uni-jena.de