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Wellenleiter bündelt Röntgenstrahlen

Von Rainer Scharf

Röntgenstrahlen machen nicht nur Verborgenes sichtbar, sondern auch submikroskopisch Kleines - und zwar um so besser je kürzer ihre Wellenlänge ist. Doch gerade sehr kurzwellige Röntgenstrahlung lässt sich nur schwer auf die zu untersuchende Probe fokussieren. Jetzt haben Physiker der Universität des Saarlandes und des Paul-Scherrer-Instituts in der Schweiz einen Wellenleiter hergestellt, der das Röntgenlicht auf einen wesentlich kleineren Fleck bündelt als es bisher möglich war.

Der Wellenleiter besteht aus einer etwa 60 Nanometer dicken, rechteckigen Plastikfaser, die mit Chrom beschichtet ist und auf einer Unterlage aus Silizium sitzt. In der Faser breitet sich die Röntgenstrahlung in ähnlicher Weise aus, wie sichtbares Licht in einer Glasfaser: Während die Strahlung durch die Plastikfaser läuft, wird sie unter flachem Winkel vielfach von der Grenzfläche der Faser totalreflektiert. Den sehr präzise strukturierten Wellenleiter haben Franz Pfeiffer, Christian David und Tim Salditt mittels Elektronenstrahllithographie angefertigt.

(Bild 1)
Der Röntgenwellenleiter unter dem Elektronenmikroskop: Das schwarze Rechteck ist das Ende der Plastikfaser, in der sich die Röntgenstrahlung ausbreitet. Die Faser wird von einer Hülle aus Chrom umschlossen. Foto: Universität des Saarlandes

Ihre Experimente mit dem Wellenleiter führten die Forscher an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF in Grenoble durch, wo ein besonders intensiver und brillanter primärer Röntgenstrahl zur Verfügung steht. Sie benutzten harte Röntgenstrahlung mit einer Wellenlänge von knapp 0,1 Nanometer. Der Wellenleiter wurde so in den Primärstrahl gehalten, daß die Plastikfaser nahezu parallel zum Strahl stand und ihre Oberseite streifend von ihm getroffen wurde. Der größte Teil der Strahlung wurde zwar reflektiert, doch ein merklicher Teil drang in die Faser ein und breitete sich in ihr aus.

Einen Millimeter hinter dem Ende der Faser wurde mit einer CCD-Kamera gemessen, welchen Durchmesser und welche Intensität der aus dem Wellenleiter kommende Röntgenstrahl hatte. Demnach war der Strahl bei seinem Austritt nur etwa 50 Nanometer dick. Das ergibt den kleinsten Brennfleck, auf den man harte Röntgenstrahlung bisher gebündelt hat. Zudem war die Strahlung ungewöhnlich intensiv: Aus der Faser kamen rund 20000 Röntgenphotonen in der Sekunde. Eine 50 Nanometer große Lochblende, direkt in den primären Röntgenstrahl gehalten, hätte nur ein siebzigstel dieser Strahlungsintensität durchgelassen. Verglichen mit einer Lochblende hatte der Wellenleiter die Röntgenstrahlung beträchtlich verstärkt.

(Bild 2)
Das Prinzip des Röntgenwellenleiters: Ein Teil der auftreffenden Röntgenstrahlung dringt in den Wellenleiter ein und breitet sich aus. Graphik: T. Salditt

Tim Salditt und seine Mitarbeiter wollen die Fertigung der Röntgenwellenleiter weiter verbessern, um noch wesentlich intensivere und stärker gebündelte Röntgenstrahlung herstellen zu können. Mit Hilfe solcher punktförmigen Röntgenquellen ließen sich die Vorgänge und Bewegungsabläufe in einzelnen Nanokristallen, Molekülgruppen oder Zellorganellen direkt und zeitaufgelöst beobachten. 

Quelle
F. Pfeiffer et al.Two-dimensional X-ray Waveguides and Point Sources. Science 297, S. 230.
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/297/5579/230

Weitere Informationen
Röntgenwellenleiter für die Mikroskopie
http://www.elettra.trieste.it/organisation/experiments/laboratories/multilayer_technology/waveguide.html

ESRF Highlights 2000
http://www.esrf.fr/info/science/highlights/2000/microfocus/MIC6.html

Hasylab Newsletter
http://www-hasylab.desy.de/newsletter/2002-01-01.htm

Kontakt
Tim Salditt: http://www.uni-saarland.de/fak7/salditt/salditt.html
Franz Pfeiffer: http://www.uni-saarland.de/fak7/salditt/people/frpf/welcome.html

pro-physik.de v. 12.7.2002

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