Science
30.03.2018

Wiener Laser statt Teilchenbeschleuniger für Röntgenspektroskopie

Ein neues in Wien mitentwickeltes Verfahren macht die Materialanalyse mit Röntgenspektroskopie deutlich einfacher.

Die Röntgenabsorptionsspektroskopie ist eine weitverbreitete Methode zur Materialanalyse. Das Problem dabei: Die nötige Röntgenstrahlung wird üblicherweise in riesigen Teilchenbeschleunigern erzeugt. Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der Technischen Universität (TU) Wien hat nun im Fachjournal "Physical Review Letters" ein neues Setup vorgestellt, das auf einem Tisch Platz findet.

Die Elektronen in der Hülle eines Atoms haben nicht nur alle unterschiedliche Energien, die Energieniveaus sind auch charakteristisch für das jeweilige Atom. Somit kann jedes Atom anhand einer Messung dieser Energien genau identifiziert werden. Im Fall der Röntgenabsorptionsspektroskopie trifft ein Röntgenstrahl auf das Atom und wird dort - wenn die Energie der Photonen ausreicht - von den inneren Elektronen absorbiert. Daraufhin verlässt das Elektron die Hülle und die entsprechende Energie fehlt im Spektrum der ursprünglichen Strahlung.

"Unentbehrliches Werkzeug"

So lassen sich aus einer Analyse der Absorption die Energien der Elektronen und damit die atomare Zusammensetzung eines unbekannten Materials ermitteln. Die Methode ist dabei so empfindlich, dass sie nicht nur verschiedene Atome voneinander unterscheiden kann, sondern zum Beispiel auch Rückschlüsse über Verbindungen mit anderen Atomen zu gemeinsamen Molekülen zulässt.

"Das macht die Röntgenabsorptionsspektroskopie zu einem unentbehrlichen Werkzeug in den Naturwissenschaften", erklärte einer der Autoren der Studie, Audrius Pugzlys, vom Institut für Photonik der TU Wien, gegenüber der APA. "Allerdings sind die Ansprüche an die Röntgenstrahlung sehr hoch, weshalb solche Experimente meistens an großen Synchrotron-Anlagen durchgeführt werden müssen."

Zusammenarbeit mit US-Instituten

Das könnte sich durch die neue, am Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) der University of Colorado in Boulder (USA) entwickelten Methode nun ändern. Anstelle eines Synchrotrons, also eines riesigen Teilchenbeschleunigers, verwendeten die Forscher Laser. Um die niederenergetische Laserstrahlung in hochenergetische Röntgenstrahlung umzuwandeln, richteten die Forscher den Strahl auf ein Gas, wodurch Elektronen aus den Gasatomen herausgeschlagen wurden. Diese Elektronen nahmen darauf hin noch weitere Energie aus der Laserstrahlung auf, bevor sie wieder in ihr Atom zurückfielen und dabei die gesammelte Energie in Form von Röntgenstrahlung abgaben.

Der stärkste Laser, der dabei zum Einsatz kam, wurde am Institut für Photonik der TU Wien entwickelt. "Hohe Intensität ist natürlich wichtig", so Pugzlys. "Damit der Prozess richtig funktioniert, sollte aber auch die Wellenlänge möglichst niedrig sein. So können die Elektronen im Gas die Energie besser aufnehmen." Darüber hinaus müsse sich die erzeugte Röntgenstrahlung auch gut fokussieren und zu möglichst kurzen Pulsen bündeln lassen, um etwa die extrem schnellen Abläufe chemischer Reaktionen untersuchen zu können.