"Diamonds Are a Scientist's Best Friend" - PSI erzeugt hellsten Laserstrahl der Welt mit Hilfe von Diamanten

PSI_SwissFEL-Innenansicht001

Bereits vor dem Bau des geplanten Röntgenlasers SwissFEL läuft am Paul Scherrer Institut die Entwicklung der Instrumentierung für diese extrem helle Lichtquelle an. Nun ist es einem vom PSI geleiteten Forscherteam gelungen, harte Röntgenlaserstrahlung 100'000-fach zu konzentrieren und so an einem Punkt Röntgenstrahlung zu erzeugen, die so intensiv war wie wohl nirgends zuvor.Als Linsen verwendeten die Forscher winzige Ringstrukturen aus Diamant – dem Material, das am besten dem Röntgenlaserlicht standhält.

Mit solch intensiver Strahlung erhoffen sich RöntgenphysikerInnen und BiologInnen unter anderem, die atomare Zusammensetzung und Funktionsweise komplexer Biomoleküle zu entschlüsseln, und so die Grundlage für neue Medikamente zu schaffen.  Ihre Arbeit zu den Röntgenlinsen stellen die Forschenden in der Fachzeitschrift Scientific Reports der Nature Publishing Group vor.

Röntgenlaser - USA, Japan, und jetzt die Schweiz

An verschiedenen Orten weltweit entstehen Röntgenlaser – Röntgenlichtquellen einer neuen Generation, die auf dem Prinzip des Freie-Elektronen-Lasers beruhen. Seit 2010 liefert der amerikanische Röntgenlaser LCLS in Stanford, erste Laserpulse im harten Röntgenbereich, seit Juni 2011 auch die Anlage SACLA im japanischen Hyogo. Am PSI soll 2016 mit dem SwissFEL eine vergleichbare Forschungsanlage in Betrieb gehen.

Die Röntgenstrahlung wird in extrem kurzen Lichtblitzen ausgesandt, die nur rund 100 Femto-Sekunden (= 0,0000000000001 Sekunden) dauern und deren Helligkeit die der heute verfügbaren Röntgenquellen um das Milliardenfache übertrifft.

Durch die sehr kurze Pulsdauer kann der Ablauf sehr schneller chemischer Reaktionen verfolgt werden und so zum besseren Verständnis der Katalyse beitragen, die in der chemischen Industrie eine zentrale Rolle spielen.

Entschlüsselung komplexer Biomoleküle

Die höchsten Erwartungen ruhen jedoch auf der Möglichkeit, den genauen Aufbau komplexer Biomoleküle, zu entschlüsseln, die für viele Lebensprozesse verantwortlich sind. Mit heutigen Verfahren ist das nur möglich, wenn man die Moleküle in der regelmässigen Struktur eines Kristalls anordnen kann, der mindestens einige Tausendstel Millimeter gross sein muss. Für viele interessante Moleküle kann man aber nur Nanokristalle erzeugen, die sehr viel kleiner sind. Am SwissFEL wird man auch diese winzigen Kristalle untersuchen können. „Dieses Experiment stellt die Wissenschaftler vor grosse Herausforderungen" erklärt Rafael Abela, einer der beiden Leiter des SwissFEL-Projekts „Da die Strahlung zu einer Zerstörung der Moleküle führt, muss die Abbildung mit einzelnen Pulsen geschehen – quasi mit einer Belichtungszeit, welche schneller ist als der Strahlenschaden. Dazu ist es erforderlich, die an sich schon äusserst hellen Röntgenpulse in einen kleinstmöglichen Fleck zu fokussieren, um die notwendige Strahlungsdichte zu erreichen."

Zonenplatten zur Fokussierung hielten bislang der Röntgenstrahlung nicht stand

Der Einsatz von Zonenplatten zur Fokussierung von Röntgenstrahlung ist an sich nichts Neues. "Wir entwickeln bereits seit einiger Zeit solche Optiken für Röntgenmikroskope an Synchrotronlichtquellen wie zum Beispiel der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS. Allerdings wurden Zonenplatten für Experimente an Röntgenlasern nicht ernsthaft in Erwägung gezogen. Man ging davon aus, dass ihre fragilen Nanostrukturen durch das extrem intensive Röntgenlicht sehr rasch zerstört würden." Dies bewahrheitete sich zunächst auch in Versuchen, die David mit seinen Kollegen am Laser in Stanford durchführte: herkömmliche Zonenplatten aus Goldstrukturen waren bereits nach kürzester Zeit im heissen Strahl buchstäblich zerflossen.

Diamant als ideales Material

Die ideale Alternative bietet Diamant. Es ist das Material mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit, so dass es die Wärme, die bei der Bestrahlung entsteht, gut ableitet. Es zersetzt sich auch nicht, wenn es erwärmt wird und ist für Röntgenlicht fast transparent. Jedoch wurde dieses Material noch nie für Zonenplatten verwendet, so dass ein Prozess zur ihrer Herstellung entwickelt werden musste. Durch Beschuss mit Sauerstoff-Ionen konnten sehr schmale und vergleichsweise tiefe Ringstrukturen in den Diamant geätzt werden. Zusätzlich wurden die Strukturen an der Universität Helsinki mit hochschmelzendem Iridium gefüllt. Es zeigte sich, dass diese Materialkombination dem Röntgenlaser in Stanford auch auf Dauer widerstehen konnte.

Rekordverdächtig: Viel Energie an einem Punkt

Aufgabe der Linsen ist, viel Strahlungsenergie auf einen möglichst kleinen Punkt zu konzentrieren. Zu messen, einen wie kleinen Punkt man optimal erreichen sollte, stellte sich als ein eigenes Problem heraus. Eine Messung mit herkömmlichen Methoden konnte nicht durchgeführt werden – durch die hohe Spitzenleistung im Brennpunkt der Zonenplatten wären die üblicherweise genutzten Teststrukturen durchlöchert worden. Stattdessen nutzten die Forscher am amerikanischen Laser diesen zerstörerischen Effekt, indem sie die Grössen von Löchern in Metalloberflächen bestimmten, die von den fokussierten Röntgenpulsen erzeugt wurden. Daraus liess sich eine Fokusgrösse von 320 Nanometern (Millionstel Millimeter) ableiten – bei einem Querschnitt des ursprünglichen Strahls von 0,5 Millimeter. Das Röntgenlicht war an diesem Punkt 100'000 mal intensiver als im ursprünglichen Strahl. Das ist der beste Wert, der jemals mit Strahlung eines Röntgenlasers realisiert wurde.

 

"Diamonds Are a Girl's Best Friend" (Diamanten sind eines Mädchens beste Freunde) ist übrigens der Titel des weltbekannten Songs von Marilyn Monroe, den sie im Film "Blondinen bevorzugt" singt.

Quelle: PSI, Wikipedia - Quelle Bild: PSI, Innenansicht SwissFEL

Einen Kommentar verfassen

Ihr Kommentar

0 / 3000 Zeichen Beschränkung
Dein Text sollte zwischen 3-3000 Zeichen lang sein
Nutzungsbedingungen.

Kommentare

  • Keine Kommentare gefunden

Meistgelesener Artikel:

Das CO2 Problem ist gelöst! US-Forschende schaffen es CO2 in Treibstoff umzuwandeln

CO2 Problem ist gelöst

Suchen in HappyTimes

GSHT Ghana Switzerland Hospital Technicians

HappyTimes publiziert diesen Banner kostenlos.

Neuste Leser-Kommentare

Star Wars
Hammer Design! Mal was anderes.
ricardolino
de artikel isch super, motiviert eim grad zum ufruume und furtrüere.
Robert
"dürfen nicht vergessen, dass wir auf der hauchdünnen festgewordenen Kruste eines glühenden Balls st...

HappyTimes in Social Medias:

facebook-logo twitter_withbird_1000_allblue

Sag der Welt etwas Nettes

Cherigna
Menschen sind da, um geliebt zu werden,
Gegenstände sind da, um benützt zu werden.
In der heutigen...
Glücks Chäfer
Neui Wuchä – neus Glück. Isch das nöd wunderbar, d’ Natur schänkt öis jedi Wuchä 7 nigelnagelneui Tä...
Vertrauen
Als ich mich selbst zu lieben begann, habe ich verstanden, dass ich immer und bei jeder Gelegenheit ...