Kompakte Quelle für Röntgenstrahlung hoher Qualität

Neuartiges Bauprinzip erzeugt hochwertige und vielseitig nutzbare Röntgenstrahlung – mögliche Anwendungen in Medizin und Forschung
Die Gasdüse, auf die der Laser fokussiert wird, ist sehr kompakt und erlaubt dennoch hohe Elektronenenergien.
Die Gasdüse, auf die der Laser fokussiert wird, ist sehr kompakt und erlaubt dennoch hohe Elektronenenergien.
© G. Nathan, UNL
Lincoln (USA) - Röntgenstrahlen eignen sich nicht nur, um Knochenbrüche festzustellen oder andere medizinische Auffälligkeiten zu finden. Mit ihnen lassen sich auch Gepäckstücke oder gleich ganze Container nach verschiedenen Substanzen durchleuchten. Besonders hohe Anforderungen an die Qualität der Röntgenstrahlung stellen die Biologen, die mit Hilfe dieser Strahlen die Struktur biochemischer Moleküle aufklären. Hochwertige Röntgenstrahlung ist bislang jedoch eine Domäne sogenannter Synchrotrone. Dies sind spezielle Teilchenbeschleuniger mit bis zu mehreren hundert Metern Durchmesser, die besonders gleichförmige, hochenergetische und exakt definierte Röntgenstrahlen produzieren. Einem Forscherteam aus den Vereinigten Staaten ist es nun gelungen, einen nur noch zimmergroßen Aufbau zu entwickeln, der mit Hilfe eines starken Lasers ebenfalls hochwertige Röntgenstrahlung erzeugt. Wie die Forscher im Fachblatt „Nature Photonics“ berichten, reicht die Qualität und Intensität ihrer Strahlen zwar noch lange nicht an die der stadiongroßen Synchrotrone heran, ist für kompakte Anlagen aber ein bedeutender Schritt vorwärts. Aufgrund ihrer geringen Dimensionen könnten solche Röntgenquellen vor allem für Krankenhäuser und für die universitäre Forschung interessant werden.

„Die Röntgenstrahlen, die bislang mit kompakten Lasern erzeugt wurden, ließen mehrere der Qualitätsmerkmale der Synchrotronstrahlen vermissen, wie etwa das reine und durchstimmbare Energiespektrum“, sagt Donald Umstadter, Gruppenleiter am Extreme Light Laboratory der University of Nebraska-Lincoln. Die Forscher an diesem Labor entwickelten einen ausgeklügelten Aufbau, bei dem sie die kurzen und scharfen Pulse eines ultrastarken Lasers gleich doppelt verwendeten. Zunächst spalteten sie den Laserstrahl in zwei Teilstrahlen auf.

Den ersten schickten sie scharf fokussiert in einen nur wenige Millimeter messenden Gasstrahl aus Helium. Der extrem intensive Laserpuls regte dort die Entstehung eines schwingenden Plasmas an. Dabei entstanden starke elektromagnetische Felder, die zur Aussendung eines hochenergetischen Elektronenstrahls führten. Diese Technik, mit Hilfe von Laserstrahlen Elektronen zu beschleunigen, ist noch relativ jung und wird Kielfeldbeschleunigung genannt.

Den zweiten Laser-Teilstrahl lenkten die Forscher über Spiegel um und schickten ihn frontal gegen die beschleunigten Elektronen. Indem sie ihre Optiken sehr präzise justierten, konnten sie die ultrakurzen Elektronen- und Laserpulse, die nur wenige Bruchteile einer billionstel Sekunde dauerten, genau aufeinander treffen lassen. Hierdurch stießen viele der Lichtteilchen des Lasers auf die hochenergetischen Elektronen, wodurch sie ebenfalls hohe Energien erhielten und zu Röntgenstrahlung wurden.

Durch diesen Trick, nur einen sehr starken Laser für beide Zwecke zu nutzen, konnten die Forscher die nötige Synchronisation erzielen. Diese neue Technologie wird zwar nicht die großen Synchrotrone mit ihren hervorragenden Strahlqualitäten überflüssig machen. Für kompakte Geräte ist es aber eine interessante neue Technologie, die – mit einigen Verbesserungen – eine Vielzahl möglicher Anwendungen bedienen könnte. In der Medizin etwa könnte sie die Strahlenbelastung von Patienten bei der Radiographie verringern.

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