Kompakte Ultrakurzpuls-Röntgenquelle

Als Wilhelm Conrad Röntgen um die Jahreswende 1895/96 mit seiner Entdeckung „einer neuen Art von Strahlen“ an die Öffentlichkeit trat, begann in Wissenschaft, Medizin und Technik das 20. Jahrhundert. Seine „X-Strahlen“, wie er sie selber nannte, gaben den Blick frei ins Innere der Materie. Seitdem haben sie nichts von ihrer Faszination verloren.

Röntgenquellen wurden rasch zum Hauptschlüssel in der medizinischen Diagnostik und zum unentbehrlichen Werkzeug in der Praxis der zerstörungsfreien Materialprüfung. Heute, nach mehr als 100 Jahre Reifezeit der Röntgen-Röhrentechnik, wird an der Erzeugung von Röntgenstrahlung immer noch geforscht. Ultrakurze (Pikosekunden und Sub-Pikosekunden) „harte“ Röntgenpulse für unterschiedliche Anwendungen in Medizin, Biologie, Wissenschaft und Industrie sowie Röntgenlaser sind die heutigen Entwicklungsziele. Dynamische Vorgänge auf molekularer Zeitskala und bisher nicht auflösbare feinste Strukturen können untersucht werden.

Zur Zeit basieren die Quellen ultrakurzer Röntgenpulse entweder auf Synchrotrons oder auf Plasmen, die mit Hochleistungs-Femtosekundenlasern erzeugt werden. Derartige Röntgenquellen sind nicht nur äußerst kostspielig in Anschaffung und Betrieb, sondern haben zudem einen sehr komplexen und großen Aufbau. Dadurch ist die breite Anwendung in Wissenschaft und Industrie stark eingeschränkt.
Um diese Nachteile zu vermeiden, wird am Laser Zentrum Hannover derzeit eine erheblich einfachere Femtosekundenlaser-getriebene Röntgenröhre entwickelt. Bei diesem System werden zunächst mit Hilfe eines kompakten hochrepetierenden Femtosekundenlasers ultrakurze Elektronenpulse durch Bestrahlung einer Photokathode generiert. Diese Elektronen werden in der Röhre beschleunigt und in einem Festkörpertarget abgebremst, wobei harte Röntgenpulse erzeugt werden.

Die am Laser Zentrum Hannover entwickelte Ultrakurzpuls-Röntgenquelle verwendet einen kompakten, kommerziell verfügbaren Titan:Saphir-Femtosekundenlaser (160 fs, 780 nm) mit einer Repetitionsrate von 250 kHz. Untersuchungen haben gezeigt, dass der mittlere Röntgenfluss dieses Systems durchaus mit dem der Laser-Plasmaquellen vergleichbar ist.
Die Femtosekundenlaser-getriebene Röntgenröhre erweist sich als kompakter, stabiler, einfacher in der Handhabung und kostengünstiger als die bisherigen Quellen ultrakurzer Röntgenpulse.

Anwendungen für die Ultrakurzpuls-Röntgenquelle sind zeitaufgelöste Röntgenbeugung zur Untersuchung ultraschneller Prozesse in Festkörpern, Dosisreduktion (durch die zeitliche Unterdrückung der gestreuten Röntgenstrahlung mit einem Röntgendetektor) in der medizinischen Röntgendiagnostik und Röntgenstroboskopie.

Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) ist eine durch Mittel des niedersächsischen Ministeriums für Wirtschaft, Technologie und Verkehr unterstützte Forschungs- und Entwicklungseinrichtung auf dem Gebiet der Lasertechnik.

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