Kompakte Röntgenstrahlungsquelle Freie-Elektronen-Laser: Öffnen sie das Wasserfenster der Röntgenspektroskopie?

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Nur bestimmte Wellenlängen kommen für die Röntgenspektroskopie biologischer Proben infrage. Für Röntgenstrahlung in diesem „Wasserfenster“ braucht es aktuell große Teilchenbeschleuniger. Doch eine neue Studie legt nahe, dass sich auch wesentlich kompakter Freie-Elektronen-Laser eignen, um Röntgenblitze in diesem Bereich zu erzeugen.

Um biologische Proben in ihrer natürlichen, also wässrigen Umgebung untersuchen zu können, sind Röntgenstrahlen mit Wellenlängen von etwa 2,3 und 4,4 Nanometern besonders gut geeignet – im so genannten Wasserfenster. Aber diese Strahlung ist bislang technisch nur durch so genannte Freie-Elektronen-Laser an großen Beschleunigeranlagen in ausreichender Qualität und Intensität zugänglich.

Ein europäisches Forschungsteam von Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU), der Forschungseinrichtung ELI Beamlines und der University of Strathclyde, hat in einer Studie nun nach alternativen Techniken gesucht. Das Team zeigte in Modellsimulationen, dass deutlich kleinere Laser-Plasma-basierte Teilchenbeschleuniger einen einfachen Zugang zu diesem Strahlungsbereich bieten können.

Abhängigkeit von Großanlagen

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.

„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“, schildert Prof. Hidding, Leiter der Arbeitsgruppe Starkfeld-Laser-Plasmaphysik der HHU und Korrespondenzautor der Studie. „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.“

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Kickstart für Elektronen

In einem Laser-Plasma-Beschleuniger erzeugt ein hochintensiver Laserpuls in einem Gas eine Plasmawelle. Deren sehr hohe Feldstärke beschleunigt auf nur wenigen Zentimetern Elektronen bis fast auf Lichtgeschwindigkeit.

„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“, sagt Lily Berman, Doktorandin in Hiddings Arbeitsgruppe an der University of Strathclyde und Erstautorin der Studie. „Zudem sollte das Verfahren sehr robust und gleichzeitig flexibel einstellbar sein.“

Dr. Fahim Habib, Studienleiter bei der Forschungseinrichtung ELI (Extreme Light Infrastructure), ergänzt: „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.“

Zugang zu Röntgenbildgebung und -spektroskopie im Wasserfenster erleichtern

Noch beziehen die Arbeiten der Wissenschaftler lediglich auf Simulationen und Modellversuche. Doch die praktischen Vorteile sind absehbar, wie Hidding erläutert: „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.

Originalpublikation: L. Berman, D. Campbell, E. Hartmann, T. Heinemann, T. Wilson, B. Hidding, A. F. Habib. Strong-gain water-window X-ray laser driven by plasma photocathode wakefield acceleration, Nature Communications (2026); DOI: 10.1038/s41467-026-78880-4