Forskere udvikler briller til røntgenlasere

Et internationalt hold af forskere har skræddersyet specielle røntgenbriller til at koncentrere strålen fra en røntgenlaser stærkere end nogensinde før. Den individuelt fremstillede korrigerende linse eliminerer de uundgåelige defekter i en røntgenoptikstak næsten fuldstændigt og koncentrerer tre fjerdedele af røntgenstrålen til et sted med en diameter på 250 nanometer (milliontedele af en millimeter), nærmer sig den teoretiske grænse. Den koncentrerede røntgenstråle kan ikke kun forbedre kvaliteten af ​​visse målinger, men åbner også helt nye forskningsmuligheder, som holdet omkring DESYs ledende videnskabsmand Christian Schroer skriver i tidsskriftet Naturkommunikation .

Selvom røntgenstråler adlyder de samme optiske love som synligt lys, de er svære at fokusere eller afbøje:"Kun få materialer er tilgængelige til fremstilling af passende røntgenlinser og spejle, " forklarer medforfatter Andreas Schropp fra DESY. "Også, da røntgenstrålernes bølgelængde er meget mindre end synligt lys, Fremstilling af røntgenlinser af denne type kræver en langt højere grad af præcision, end der kræves inden for optiske bølgelængder - selv den mindste defekt i linsens form kan have en skadelig effekt."

Produktionen af ​​passende linser og spejle har allerede nået et meget højt præcisionsniveau, men standardlinserne, lavet af grundstoffet beryllium, er normalt lidt for kraftigt buede nær midten, som Schropp bemærker. "Beryllium-linser er kompressionsstøbt ved hjælp af præcisionsmatricer. Formfejl i størrelsesordenen nogle få hundrede nanometer er praktisk talt uundgåelige i processen." Dette resulterer i mere lys spredt ud af fokus end uundgåeligt på grund af fysikkens love. Hvad mere er, dette lys fordeles ret jævnt over et ret stort område.

Sådanne defekter er irrelevante i mange applikationer. "Imidlertid, hvis du ønsker at opvarme små prøver ved hjælp af røntgenlaseren, du ønsker, at strålingen skal fokuseres på et område så lille som muligt, " siger Schropp. "Det samme gælder i visse billedbehandlingsteknikker, hvor du ønsker at få et billede af små prøver med så mange detaljer som muligt."

For at optimere fokuseringen, forskerne målte først omhyggeligt fejlene i deres bærbare beryllium røntgenlinsestak. De brugte derefter disse data til at bearbejde en tilpasset korrigerende linse af kvartsglas, ved hjælp af en præcisionslaser ved University of Jena. Forskerne testede derefter effekten af ​​disse briller ved hjælp af LCLS røntgenlaser på SLAC National Accelerator Laboratory i USA.

"Uden de korrigerende briller, vores linse fokuserede omkring 75 procent af røntgenlyset på et område med en diameter på omkring 1600 nanometer. Det er omkring ti gange så stort som teoretisk opnåeligt, " rapporterer hovedforfatter Frank Seiboth fra det tekniske universitet i Dresden, som nu arbejder hos DESY. "Da brillerne blev brugt, 75 procent af røntgenstrålerne kunne fokuseres i et område på omkring 250 nanometer i diameter, bringer det tæt på det teoretiske optimum." Med den korrigerende linse, omkring tre gange så meget røntgenlys blev fokuseret ind i den centrale pletter end uden den. I modsætning, den fulde bredde ved halv maksimum (FWHM), det generiske videnskabelige mål for fokus skarphed i optik, ændrede sig ikke meget og forblev på omkring 150 nanometer, med eller uden briller.

Den samme kombination af mobil standardoptik og skræddersyede briller er også blevet undersøgt af teamet hos DESYs synkrotron røntgenkilde PETRA III og den britiske Diamond Light Source. I begge tilfælde den korrigerende linse førte til en sammenlignelig forbedring med den, der ses ved røntgenlaseren. "I princippet, vores metode gør det muligt at lave en individuel korrigerende linse til hver røntgenoptik, " forklarer ledende videnskabsmand Schroer, som også er professor i fysik ved universitetet i Hamborg.

"Disse såkaldte faseplader kan ikke kun gavne eksisterende røntgenkilder, men især kan de blive en nøglekomponent i næste generations røntgenlasere og synkrotronlyskilder, " understreger Schroer. "At fokusere røntgenstråler til de teoretiske grænser er ikke kun en forudsætning for en væsentlig forbedring af en række forskellige eksperimentelle teknikker; det kan også bane vejen for helt nye undersøgelsesmetoder. Eksempler inkluderer den ikke-lineære spredning af lyspartikler med partikler af stof, eller skabe partikler af stof ud fra samspillet mellem to partikler af lys. For disse metoder, røntgenstrålerne skal koncentreres i et lille rum, hvilket betyder, at effektiv fokusering er afgørende."