Kompakte Röntgenstrahlungsquelle für Untersuchungen biologischer Proben

Um biologische Proben in ihrer nativen, wässrigen Umgebung untersuchen zu können, eignen sich Röntgenstrahlen mit Wellenlängen zwischen 2,3 und 4,4 Nanometern – dem „Wasserfenster“ – besonders gut. Biologische Systeme bestehen überwiegend aus Wasser, während Zielstrukturen wie Moleküle unter anderem Kohlenstoff und Stickstoff enthalten. Daher ist eine Strahlung ideal, für die Wasser transparent ist, während andere Elemente sie stark absorbieren. Bislang ist dieser Spektralbereich jedoch nur schwer in ausreichender Qualität und Intensität zugänglich. Ein europäisches Forschungsteam von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU), ELI Beamlines und der University of Strathclyde hat nun in Modellsimulationen gezeigt, dass Laser-Plasma-basierte Teilchenbeschleuniger einen vereinfachten Zugang zu dieser Strahlung ermöglichen können.

Prof. Dr. Bernhard Hidding: „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 Dolní Břežany 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.“

Technologieansatz: Laser-Plasma-Beschleunigung

In einem Laser-Plasma-Beschleuniger erzeugt ein hochintensiver Laserpuls in einem Gas eine Plasmawelle. Deren extrem hohe Feldstärken beschleunigen Elektronen auf einer Strecke von nur wenigen Zentimetern auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Lily Berman sagt dazu: „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: „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.“

Perspektiven für die Laborlandschaft

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.“

Hintergrund: Funktionsweise von Undulatoren und Freien-Elektronen-Lasern

Ein Undulator besteht aus einer periodischen Anordnung von Dipolmagneten mit alternierender Polarität. Passieren Elektronen diese Magnetstrecke, werden sie auf eine Trajektorie mit schlangenlinienförmiger Modulation gezwungen. Die daraus resultierende kontinuierliche Beschleunigung erzeugt Synchrotronstrahlung, deren Wellenlänge über die Geometrie der Magnetstruktur präzise steuerbar ist.

Aufbauend auf dieser Technik macht man sich zunutze, dass die emittierte Strahlung auf nachfolgende Elektronen einwirkt und diese in dichte Pakete (Mikrobunching) strukturiert. Beim erneuten Passieren des Undulators emittieren diese Pakete ihre Synchrotronstrahlung kohärent – das heißt, alle Lichtwellen schwingen phasengleich. Analog zu einem konventionellen Laser führt dies zu einer lawinenartigen Verstärkung. Das Resultat sind ultrakurze, extrem brillante Lichtpulse für ein breites analytisches Spektrum.

Quelle

Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (11/2025)