Kompakte Röntgenstrahlungsquelle für Untersuchungen in den Lebenswissenschaften

Um biologische Proben in ihrer natürlichen, also wässrigen Umgebung untersuchen zu können, sind Röntgenstrahlen mit Wellenlängen von etwa 2,3 und 4,4 Nanometern - im sogenannten Wasserfenster - besonders gut geeignet.

Aber diese Strahlung ist bislang technisch nur schwer in ausreichender Qualität und Intensität zugänglich; einzig sogenannte Freie-Elektronen-Laser an großen Beschleunigeranlagen erzeugen diese Strahlung.

Ein europäisches Forschungsteam von Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU), der Forschungseinrichtung ELI Beamlines und der University of Strathclyde zeigte nun in Modellsimulationen, dass Laser-Plasma-basierte Teilchenbeschleuniger einen einfachen Zugang zu diesem Strahlungsbereich bieten können, wie sie in der Fachzeitschrift Nature Communications berichten.

Biologische Systeme bestehen zum großen Teil aus Wasser. Dagegen enthalten biologische Moleküle beispielsweise Kohlenstoff und Stickstoff. Um solche Moleküle mit hoher Auflösung darstellen zu können, ist elektromagnetische Strahlung hilfreich, für die Wasser transparent ist, die aber von anderen Atomen stark absorbiert wird. Dies trifft genau auf weiche Röntgenstrahlung im "Wasserfenster" zu.

Prof. Hidding, Leiter der Arbeitsgruppe Starkfeld-Laser-Plasmaphysik der HHU und Korrespondenzautor der Studie: "Bisher ist die Forschungsgemeinschaft auf kilometerlange Freie-Elektronen-Laser-Anlagen - die auf herkömmlichen Elektronenbeschleunigern basieren - angewiesen, um ausreichend brillante Strahlung für biologische Untersuchungen zu erhalten. Wir gehen gemeinsam mit der ELI Beamlines Facility im tschechischen Dolni Brezany und mit der University of Strathclyde in Schottland einen anderen Weg: Wir wollen einen kompakten Elektronenbeschleuniger auf Basis der in Düsseldorf entscheidend mitentwickelten Laser-Plasma-Technologie nutzen."

In einem Laser-Plasma-Beschleuniger erzeugt ein hochintensiver Laserpuls in einem Gas eine Plasmawelle. Deren sehr hohe Feldstärke beschleunigen auf nur wenigen Zentimetern Elektronen bis fast auf Lichtgeschwindigkeit. Lily Berman, Doktorandin in Hiddings Arbeitsgruppe an der University of Strathclyde und Erstautorin der Studie: "Unsere Simulationen zeigen, dass die neuartigen, hochbrillanten Elektronenpulse in 'magnetischen Undulatoren' schon nach wenigen Metern Röntgenblitze produzieren können, in denen maximal viel Elektronenenergie in Röntgenenergie umgewandelt wird. Zudem sollte das Verfahren sehr robust und gleichzeitig flexibel einstellbar sein."

Dr. Fahim Habib, Studienleiter bei der Forschungseinrichtung ELI (Extreme Light Infrastructure): "Ob eine solche Strahlungsquelle als Freier-Elektronen-Lasern funktioniert, hängt entscheidend von der Qualität der Elektronenstrahlen ab. Unsere Studie zeigt, dass mit einem neuartigen, hybriden Laser-Plasma-Beschleuniger die notwendigen Voraussetzungen gegeben wären. Wir werden diesen Weg in naher Zukunft experimentell testen."

Prof. Hidding zu den weiteren Perspektiven: "Da eine solche Anlage sehr kompakt und im Vergleich zu herkömmlichen Teilchenbeschleunigern kostengünstig gebaut werden kann, eignet sie sich für den Einsatz an Universitäten, Forschungseinrichtungen oder auch für kommerzielle Zwecke. Die Wasserfenster-Röntgenbildgebung und -spektroskopie kann so aus wenigen großen nationalen Labors in die Breite der Forschungslandschaft getragen werden."

Die Studie wurde im Rahmen einer strategischen Partnerschaft zwischen der HHU und ELI Beamlines durchgeführt und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem Bundesforschungsministerium sowie durch europäische Forschungsförderprogramme wie etwa EuPRAXIA unterstützt.

Hintergrund: Undulatoren und Freie-Elektronen-Laser

Ein Undulator ist eine Struktur periodisch angeordneter Dipolmagnete mit jeweils abwechselnder Polarität. Passiert ein Elektron diese Magnetreihe, so wird es auf eine schlangenlinienförmige Bahn gezwungen. Durch die dabei auftretenden kontinuierlichen Beschleunigungen geben die Teilchen sogenannte Synchrotronstrahlung ab: elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlänge durch die Form und Amplitude der Schlangenlinie genau gesteuert werden kann.

Aufbauend auf der Undulatortechnik wird ausgenutzt, dass die bereits ausgesandte Strahlung auf nachfolgende Elektronen wirkt und diese zu kleinen Paketen ordnet. Im folgenden Durchlauf durch den Undulator senden diese Pakete phasengleich - alle Lichtwellen schwingen exakt im gleichen Takt - ihre Synchrotronstrahlung aus. Insgesamt wird die Strahlung im Freien-Elektronen-Laser so lawinenartig - wie auch in einem herkömmlichen Laser - verstärkt. Die Anlage liefert ultrakurze, extrem brillante Lichtpulse, die auf einen großen Wellenlängenbereich abgestimmt werden können.

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Quelle: Universität Düsseldorf