Kristalllinsen der neuen Generation für ultraschnelle Röntgenstrahlexperimente

Die Einführung von Plasmalaser-Röntgenquellen für zeitaufgelöste Beugungsexperimente erfordert die Bündelung der Röntgenstrahlen auf der Probe. Dabei wird ein starkes Signal abgegeben, während die Röntgenstrahlen synchronisiert werden, um präzise Messungen zu ermöglichen. Im Rahmen des von der EU unterstützten FAMTO-Projekts wurde eine verbesserte Röntgenstrahloptik entwickelt, die Kristalle verschiedenster Zusammensetzung und Form nutzt. Diese können eine größere Intensität von Röntgenstrahlen bündeln, während die Zeitauflösung erhalten bleibt.

Im Rahmen des FAMTO-Projekts wurde ein Laserplasma-Röntgen-Arbeitsplatz entwickelt, der in der Lage ist, Messungen durchzuführen, die in der Laseranlage des Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA) in Femtosekunden erfasst wurden. Wenn eine Probe Röntgenstrahlen mit einer derart ultraschnellen und ultrakurzen Laufzeit ausgesetzt wird, bleiben nur noch wenige Photonen zur Beobachtung verfügbar.

Das Projektteam hat den Bereich der Optik untersucht, um die Stärke das Signals zu maximieren. Dies wurde durch die Bündelung der Röntgenstrahlphotonen auf die Probe realisiert, während gleichzeitig die kurze Laufzeit des Röntgenstrahlpulses erhalten blieb. Die Tests bezogen neue Materialien sowie Kristalle neuer Größen und Formen ein.

In einer Versuchsreihe wurden ringförmige Kristalle (doughnut-förmig) aus Germanium mit Kristallen aus Gallium-Arsenid verglichen. Beide umgingen das Problem der „kurzzeitigen Trägheit“, was die Zeitauflösung von Messungen reduzieren und Beobachtungen in einem Bereich unterhalb von Pikosekunden unterbinden würde. Das Team entwickelte sowohl zwei Germanium-Kristalle mit Kurvenradien von 300mm und 500mm als auch einen Gallium-Arsenid-Kristall mit einem Kurvenradius von 500mm und außergewöhnlichen oberflächenbeugenden Eigenschaften.

Bei einer zweiten Versuchsreihe konzentrierte man sich auf eine neue Generation elliptisch geformter Kristalle. Dabei wurde eine HOPG-Folie (Highly Oriented Pyrolytic Graphite) verwendet, die das Potenzial für eine qualitative Verbesserung besitzt. Es wurde herausgefunden, dass das neue Kristall den Anteil der auf dem Kristall gebündelten Photonen im Vergleich zur Anzahl der von der Röntgenstrahlquelle ausgesandten Photonen um einige Größenordnungen erhöht. Diese Maßeinheit für die Effizienz ist mehr als 30mal besser als bei vorhergehenden Technologien.

Während jedoch die neuen Kristalle die Klarheit des Signals hervorragend verbessern, erscheint die Größe der Bündelung weniger genau. Die Mosaikstruktur des Kristalls führt zu einer Begrenzung der Bündelungsgenauigkeit, die zwar geringer ist als die bei ringförmigen Kristallen, für experimentelle Zwecke jedoch ausreicht. Dies wird weiterhin durch einen entdeckten Röntgenstrahlfluss ausgeglichen, der mehr als 100mal stärker ist als bei herkömmlichen Kristallen. Gleichzeitig wird die kurzzeitige Trägheit auf durchaus akzeptable 200 Femtosekunden reduziert. Das Team sucht nach Partnern, um an weiteren Verbesserungen des Sammelwinkels und an der optischen Formung von Kristallen zu arbeiten, wodurch die Bündelung optimiert werden soll.