Neuartiges Lasersystem zur Produktion von Röntgenstrahlung

Röntgenstrahlen durchdringen problemlos viele Stoffe und helfen so bei der Diagnose von Knochenbrüchen oder Materialfehlern. Um allerdings zeitabhängige Phänomene auf extrem kurzen Zeitskalen untersuchen zu können, braucht man kurze Röntgenpulse mit hoher Intensität. Wissenschaftler um Jannick Weißhaupt vom Max-Born-Institut für nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie in Berlin gelang es nun, die Intensität solcher Pulse mithilfe eines Infrarotlasers zu erhöhen. Die Wissenschaftler stellten die neue Methode im Fachjournal "Nature Photonics" vor.

Erzeugung von Röntgenstrahlen

Treffen schnelle Elektronen auf eine Metalloberfläche, so entsteht Röntgenstrahlung – elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlänge millionenfach kürzer ist als die des sichtbaren Lichts. Ein kontinuierlicher Strom schneller Elektronen sorgt für ungepulste Röntgenstrahlung und ist wesentlich leichter zu realisieren als stoßweise eintreffende Elektronen. Weißhaupt und seine Kollegen nutzten gepulstes Laserlicht mit einer Wellenlänge von vier Mikrometern. Das Licht des Lasers traf unter einem steilen Winkel auf eine Kupferplatte und löste dort Elektronen aus den Atomen. Ein Teil des Laserlichts wurde reflektiert und überlagerte sich mit dem einfallenden Laserlicht. Das resultierende elektrische Feld schwang daraufhin senkrecht zur Metalloberfläche. Somit konnte es in der zweiten Hälfte seines Schwingungszyklus die aus dem Kupfer freigesetzten Elektronen auf das Metall zu beschleunigen, wo sie schließlich – im Takt der Laserblitze – mit sehr hoher Energie auftrafen. Durch diese wiederholten Kollisionen entstand eine gepulste Röntgenstrahlung.

„Die Flussstärke der Röntgenstrahlung hängt von der Wellenlänge des Lasers ab“, sagt Teammitglied Skirmantas Alisauskas von der TU Wien. Je größer die Wellenlänge des Lasers ist, desto langsamer schwingt auch das elektrische Feld, das die Elektronen beschleunigt. „Ein Elektron hat dann mehr Zeit, um Energie zu gewinnen, und trifft dann umso härter auf dem Kupfer auf“, so Alisauskas weiter. Die Röntgenpulse waren dank des langwelligen Lasers mehr als zwanzigmal intensiver als in früheren Experimenten. Daher möchte das Team noch größere Laserwellenlängen erreichen und außerdem die Rate erhöhen, mit der der Laser Pulse aussendet. „Derzeit schaffen wir eine Wiederholungsrate von zwanzig Laserpulsen pro Sekunde. Das reicht wunderbar aus, um zu zeigen, dass die Methode funktioniert. Aber für technische Anwendungen müssen wir das noch verbessern“, sagt Koautor Andrius Baltuska von der TU Wien.