Ultrakurzpuls-Röntgenquellen für die Mikroskopie

Mit der Erzeugung und Anwendung kohärenter, weicher Röntgenstrahlung befasst sich ein neuer Forschungsverbund unter der Leitung von Prof. Dr. Helmut Zacharias vom Physikalischen Institut der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster. Die im Verbund mit Forschergruppen der TU Wien, der FH Koblenz/Remagen und den Universitäten von Mainz und Münster geplanten Arbeiten werden vom Bundesforschungsministerium mit einem Gesamtvolumen von 2,2 Millionen Mark gefördert.

Neue Strahlenquellen und röntgenoptische Bauelemente für die weiche Röntgenstrahlung haben in jüngerer Zeit erste mikroskopische Untersuchungen in einem Wellenlängenbereich ermöglicht, der bislang der optischen Mikroskopie verschlossen blieb. Besonders interessant für Beobachtung von biologische Objekten ist ein ganz bestimmter Wellenlängenbereich, und zwar das so genannte Wasserfenster. In diesem Spektralbereich lassen sich organische Materialien im Wasser mit einer Auflösung abbilden, die bislang nicht erreichbar war. So werden für erste hochauflösende Untersuchungen in den Bio- und Materialwissenschaften sowie in der Medizintechnik Synchrotron-Elektronenspeicherringe von Großforschungsanlagen als Quellen weicher Röntgenstrahlen eingesetzt. Der Zugang zu diesen Quellen ist allerdings aufgrund des großen apparativen und personellen Aufwandes mit hohen Kosten und langen Wartezeiten verbunden. Außerdem sind diese Quellen stationär und können somit nicht an das zu untersuchende Objekt herangeführt werden.

Eine vielversprechende Alternative zu diesen Quellen weicher Röntgenstrahlung ergibt sich durch neueste Entwicklungen in der Femtosekunden-Lasertechnik. Als Femtosekunde wird der zehn hoch 15te Teil einer Sekunde bezeichnet. Strahlt man Femtosekunden-Laserpulse hoher Intensität fokussiert auf ein Gasvolumen, so entsteht aus der sichtbaren Laserstrahlung mittels Frequenzvervielfachung (Erzeugung Hoher Harmonischer) weiche, kohärente Röntgenstrahlung.

Kernpunkt dieses Forschungsverbundes ist die Entwicklung und Optimierung einer kompakten, gepulsten Laserquelle mit hoher Wiederholrate für die Erzeugung weicher kohärenter Röntgenstrahlung. In Zusammenarbeit mit der Gruppe um Prof. Krausz von der TU Wien soll die Leistung und Pulsdauer von kommerziell erhältlichen Lasersystemen für diese Zwecke optimiert werden. Dies stellt eine hohe wissenschaftliche und technologische Herausforderung dar.

Um weiche Röntgenstrahlung für mikroskopische Beobachtung einsetzen zu können, benötigt man spezielle röntgenoptische Bauelemente, darunter sogenannte Fresnel-Zonenplatten (siehe Abbildung) und Vielschicht-Röntgenspiegel. Diese werden in Zusammenarbeit mit der Fachhochschule Koblenz/Remagen konzipiert und auf die zu entwickelnde Strahlenquelle optimiert.

In Kooperation mit der Universität Mainz (Prof. Schönhense) werden Anwendungen des Röntgen-Photoemissions-Mikroskops mit dieser Röntgenquelle evaluiert. Ein solches Gerät erlaubt eine elementspezifische Abbildung von Strukturen mit einer Auflösung von etwa 100 Nanometer (1 Nanometer ist ein Milliardstel Meter). Solche Informationen werden zum Beispiel für die Entwicklung neuer magnetischer Speichermedien mit noch höherer Kapazität besonders wichtig.

Mit derartigen Röntgenquellen ist eine neue Qualität bei Röntgenverfahren in der Halbleitertechnologie, in der Materialwissenschaft, in der Medizintechnik und in der biologischen Forschung zu erwarten. Die hohe Folgefrequenz des Lasers wird eine rasterartige Abtastung der zu untersuchenden Probe ermöglichen. Die Femtosekunden-Pulsdauer erlaubt zusätzlich die zeitliche Verfolgung von sehr schnellen Prozessen, wie zum Beispiel von strukturspezifischen Reaktionen in bioaktiven Substanzen.