Zielgerichtete Röntgenstrahlung Ein „Metallsandwich“ als Röntgenapparat

Röntgenstrahlung ist bei ihrer Erzeugung zunächst ungeordnet und muss erst gebündelt werden. Doch mit einem neuen Verfahren haben Forscher aus Göttingen nun direkt zielgerichtete und geordnete Röntgenstrahlung erzeugt. Damit könnten effizientere und deutlich kleinere Röntgengeräte entwickelt werden. So wäre man z.B. bei der Untersuchung biologischer Gewebe nicht mehr auf große Synchrotron-Anlagen angewiesen.

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Göttingen – Ob man nun den Knochenbruch beim Arzt untersuchen lässt oder die Elementzusammensetzung einer Probe im Chemielabor – beide Male ist Röntgenstrahlung der Schlüssel. Und obwohl sie bereits seit über 125 Jahren genutzt wird, gibt es noch viel zu verbessern. So ist die Erzeugung der ionisierenden Strahlen gewissermaßen ein chaotischer, ungerichteter Prozess, bei dem Röntgenstrahlung in alle Richtungen frei wird.

In gewöhnlichen Röntgenröhren prasseln durch Hochspannung beschleunigte Elektronen auf eine Metallanode. Durch die Atome im Metall werden die Elektronen in ihren „Bahnen“ abgelenkt und abgebremst, oder die Elektronen regen die Metallatome durch Stöße zur Abstrahlung an. Sowohl das Abbremsen der Elektronen als auch die Anregung der Metallatome führen dazu, dass Röntgenstrahlung ausgesandt wird. Die Strahlung wird dann in alle Richtungen gleichermaßen ausgesendet und lässt sich nur schwer wieder zu einem gerichteten Strahl bündeln. Außerdem sind die Wellenzüge der Röntgenstrahlung zufällig und ungeordnet.

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Ordnung statt Strahlenchaos

Nun haben Physiker am Institut für Röntgenphysik der Universität Göttingen einen neuartigen Effekt beobachtet, wenn man die Anode der Röntgenröhre durch eine geeignete Struktur von dünnen Schichten aus Materialien verschiedener Elektronendichte ersetzt. Dabei müssen die Schichten dieser „Sandwichstruktur“ einige Millionstel Millimeter dick sein. „Prasseln die beschleunigten Elektronen auf diese Sandwichstruktur, so ändert sich das Winkelspektrum der erzeugten Röntgenstrahlung. Die erzeugte Röntgenstrahlung wird gleichzeitig in eine bestimmte Richtung geleitet“, sagt Malte Vassholz, Erstautor der Arbeit.

Kleine Alternative zu großen Synchrotron-Anlagen?

Durch detaillierte numerische Rechnungen lassen sich die Ergebnisse im Modell nachvollziehen und für eine gegebene Wahl der Struktur berechnen. „Durch Optimierung der Struktur ließe sich der Effekt unseren Rechnungen nach weiter steigern und für die Erzeugung von Röntgenstrahlung mit höherer Brillanz nutzen“, ergänzt Prof. Dr. Tim Salditt.

Die Forscher hoffen, dass mit solchen neuartigen Röntgenröhren Messungen möglich werden, die bislang nur an großen Beschleunigern wie dem Elektronensynchrotron in Hamburg durchzuführen sind. Das neue Sandwich-System würde deutlich kleinere Röntgengeräte erlauben, sodass die Messung zum Teil auch „ins Labor“ geholt werden könnten. „Besonders interessant sind Anwendungen der Röntgenbildgebung mikroskopisch kleiner und kontrastschwacher Objekte wie zum Beispiel weiche biologische Gewebe“, sagt Salditt.

Originalveröffentlichung: Malte Vassholz, Tim Salditt: Observation of electron-induced characteristic x-ray and bremsstrahlung radiation from a waveguide cavity. Science Advances, 22 Jan 2021: Vol. 7, no. 4, DOI: 10.1126/sciadv.abd5677

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