Extrem kurze und dichte Elektronenpulse für neuartige Röntgenquellen

Bild oben: Visualisierung der Elektronendichte (schwarz: keine Elektronen, rot: wenige, hell: viele). Um Röntgenstrahlung mit hervorragenden Eigenschaften zu erzeugen, braucht man einen ultrakurzen und besonders dichten Elektronenpuls, wie im Bild oben dargestellt: Am rechten Rand sieht man den Laserpuls, links dahinter ein schwarzes kreisförmiges Gebiet ohne Elektronen und im hinteren Teil dieses Gebiets einen dichten Elektronenpuls. Bild unten: Darstellung der dazugehörigen elektrischen Felder, die diesen Elektronenpuls beschleunigen (grün: kein Feld, blau: negatives Feld, rot: positives Feld).

Seit einigen Jahren wird an kompakten Röntgenlasern geforscht, für die man keine großen Teilchenbeschleuniger mehr braucht. Sie nutzen intensives Laserlicht zur Beschleunigung von Elektronen und erfordern ultrakurze und besonders dichte Elektronenpulse. Im Rahmen einer internationalen Kooperation unter Beteiligung von Wissenschaftlern aus dem Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) wurde die Dauer solcher Elektronenpulse nun genau bestimmt und damit die Forschung auf diesem Gebiet auf ein solides Fundament gestellt. Die Ergebnisse erschienen kürzlich in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters".

Kleine, kompakte Lichtquellen, die quasi auf einen Labortisch passen und dabei kostengünstig sind - davon träumen nicht nur viele Physiker an Universitäten und Forschungseinrichtungen. Um brillante Röntgenstrahlung zu erzeugen, die geeignet ist, immer tiefer in die Welt der Zellen, Atome und Moleküle einzudringen, müssen Elektronen auf hohe Energien beschleunigt werden. Dazu sind bisher nur modernste Röntgenlaser mit riesigen Teilchenbeschleunigern, wie der "LCLS" im amerikanischen Stanford oder die europäische Röntgenquelle "XFEL", die gegenwärtig am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg entsteht, in der Lage. Sie erzeugen Röntgenblitze mit Eigenschaften, die man sonst nur von Laserlicht kennt, und unterscheiden sich damit von der Röntgenstrahlung, die z.B. Ärzte einsetzen. Ein hervorstechendes Merkmal ist die Kohärenz, d.h. die Wellenberge- und -täler der Röntgenstrahlung stimmen auf einer sehr kurzen zeitlichen Skala überein.

Eine kompakte Alternative zur Erzeugung brillanter Röntgenstrahlung, an der seit Jahren intensiv geforscht wird, ist der Einsatz von Laserlicht: ein sehr starker und ultrakurzer Laserpuls kann Elektronen auf ebenso hohe Energien beschleunigen wie große Beschleunigeranlagen. Allerdings gründete sich die Entwicklung solcher neuen, lasergetriebenen Röntgenquellen bisher nur auf die Annahme der Forscher, dass die entstehenden Elektronenpulse extrem kurz sind - zugleich aber eine essenzielle Voraussetzung für den Erfolg dieser neuen Technologie.

Dass die Wissenschaft bei der Entwicklung neuartiger Röntgenquellen auf dem richtigen Weg ist, hat nun Alexander Debus vom Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) bestätigt. Mithilfe experimenteller Daten, die vor einigen Jahren in Kooperation deutscher und britischer Forscher* am ASTRA-Laser im Rutherford Appleton Laboratory in Rutherford/England entstanden, rekonstruierte er durch Computersimulationen die Eigenschaften eines laserbeschleunigten Elektronenpulses. Er konnte bestimmen, dass ein Elektronenpuls ca. 30 Femtosekunden (1 Femtosekunde = 1 Billiardstel Sekunde) dauert. Demnach werden die Elektronenpulse tatsächlich extrem kurz - kürzer als ein Laserpuls, der bei den Experimenten 45 Femtosekunden lang war. "Dieses Ergebnis ist ein stabiles Fundament für die Entwicklung neuer Lichtquellen für Röntgenstrahlung, die extrem kurze Elektronenpulse mit einer hohen Ladung, also einer großen Anzahl von Elektronen, benötigen, um zu funktionieren", so Dr. Michael Bussmann vom FZD.

Die Elektronenpulse entstehen, wenn ein ultrakurzer, intensiver Laserpuls auf ein Gas trifft. Der Laserpuls ist stark genug, um ein Plasma zu erzeugen, also die Elektronen von den Gasatomen zu trennen. Hinter dem Laserpuls entsteht eine Plasmawelle, die ihm mit fast Lichtgeschwindigkeit folgt. Auf dieser Welle können die Elektronen reiten wie ein Surfer auf einer Meereswelle. Sie werden dadurch auf hohe Energien beschleunigt.

Am FZD wird es bald möglich sein, sowohl laserbeschleunigte Elektronenpulse, die am Hochleistungslaser "Draco" entstehen, als auch Elektronen aus der Strahlungsquelle ELBE zu nutzen, um daraus Röntgenstrahlung zu erzeugen. Dazu müssen die Elektronenpakete mit einem starken Laserpuls bestrahlt werden. Sie werden dadurch zum Schwingen gebracht und senden Röntgenstrahlung aus. Neuartige laserbeschleunigte Röntgenquellen könnten laut FZD-Wissenschaftler Michael Bussmann wesentlich kleiner sein als die bisherigen Anlagen, weil sich die zur Erzeugung der Röntgenstrahlung nötigen Strecken erheblich verkürzen.

*Die Experimente am ASTRA-Laser erfolgten in Kooperation folgender Einrichtungen: FZD, University of Oxford, Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Ludwig-Maximilians-Universität München, Imperial College London, STFC Daresbury Laboratory, University of Strathclyde, Friedrich-Schiller-Universität Jena, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, STFC Rutherford Appleton Laboratory.

Quelle: Forschungszentrum Dresden - Rossendorf e.V.