Plasma verbessert Röntgenstrahlung

Will man kleinste Strukturen in Materie sichtbar machen, braucht man ein Licht, das kurze Wellenlängen besitzt und über eine hohe Brillanz verfügt. Harte Röntgenstrahlung ist dafür das Materie der Wahl, da sie Materie durchdringt und über Wellenlängen von wenigen Hundertstel Nanometern verfügt. Diese wird heute in großen und teuren Beschleunigeranlagen produziert.

Eine Alternative hat ein Team vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ entwickelt. Physiker um Professor Stefan Karsch und Laszlo Veisz haben harte, brillante Röntgenstrahlung mit Hilfe von Licht erzeugt.

Die Wissenschaftler schickten Laserpulse von rund 25 Femtosekunden Dauer und einer Leistung von 60 Terawatt auf Wasserstoffatome. Zum Vergleich: Ein Atomkraftwerk produziert gerade mal 1500 Megawatt.

Dabei lösten die elektrischen Felder des Lichts die Elektronen von den Atomkernen, so dass ein Plasma entstand, und räumten sie wie ein Schneepflug aus dem Weg. Übrig blieben die Ionen, die um einiges schwerer sind als die Elektronen.

Die Trennung der Ladungen bewirkt sehr starke elektrische Felder, die dazu führen, dass die weggeräumten Elektronen wieder zurückfedern und zu schwingen anfangen, was die Ausbildung einer Wellenstruktur in Plasma zur Folge hat. Diese läuft dem Laserpuls mit fast Lichtgeschwindigkeit hinterher, ähnlich wie die Kielwelle eines Bootes auf der Wasseroberfläche. Einige der freien Elektronen werden eingefangen und reiten auf ihr ähnlich wie Surfer in der Brandung.

Sobald die Elektronen ihre maximale Geschwindigkeit erreicht haben, treffen sie frontal auf einen gegenläufigen Lichtpuls. Dessen elektrische Felder in Wellenform zwingen die Elektronen auf einen ebenso wellenförmigen Schlingerkurs, wobei sie senkrecht zur Flugrichtung beschleunigt und wieder abgebremst werden. Das System nennt man optischen Undulator.

Die Teilchen senden dabei brillante Röntgenstrahlung aus, die eine Wellenlänge von bis zu 0,03 Nanometer hat. Im Vergleich zu bisherigen Röntgenquellen bietet das System einen großen Vorteil: die Durchstimmbarkeit der emittierten Wellenlänge über einen großen Bereich – die Wellenlänge ist also veränderbar.

Daraus ergibt sich zum Beispiel in der Medizin die Möglichkeit verschiedene Arten von Gewebe genau zu analysieren. Denn je feiner abgestimmt die Röntgenstrahlung ist, desto genauer werden die Informationen, die man gewinnt.

Doch nicht nur durch die abstimmbare Wellenlänge und hohe Brillanz gewinnt die lichtgetriebene Strahlung an Qualität, sondern auch durch ihre gepulste Form. Daraus können sich neue Anwendungen ergeben wie zum Beispiel zeitaufgelöste Spektroskopie zur Untersuchung ultraschneller Vorgänge im Mikrokosmos.

Noch verfügt die neue Lichtquelle nicht über eine genügend hohe Intensität. Die Pulse sollen daher mit mehr Lichtteilchen angereichert werden. Damit beschäftigen sich die Physiker im neuen Centre for Advanced Laser Applications (CALA), das gerade auf dem Campus Garching gebaut wird.

Dann kann die neue, lichtgetriebene Strahlung zum Beispiel mit dem so genannten Phasenkontrast-Röntgentomographie-Bildgebungsverfahren gekoppelt werden, das von Professor Franz Pfeiffer an der Technischen Universität München verfeinert wird.

Dabei nutzt man im Gegensatz zur üblichen Absorption der Strahlung ihre Brechung an Objekten. „Damit können wir heute schon bis zu zehn Mikrometer kleine Strukturen in nicht durchsichtigen Objekten aufspüren“, erläutert Karsch. „Mit der neuen Röntgenquelle werden wir dann noch genauere Informationen aus Gewebe oder anderem Material gewinnen.“