Neuartige Gammastrahlen-Lichtquellen mit kanalisierender kristalliner Undulatorstrahlung
Moderne Freie-Elektronen-Röntgenlaser, leistungsstarke Instrumente, die kohärente und ultrakurze Röntgenstrahlungspulse von etwa einem Ångström Wellenlänge erzeugen, weisen eine sehr hohe Brillanz auf. Auf diese Weise gelingt neben anderen Anwendungen die zerstörungsfreie Abbildung von Biomolekülen. Es bedeutet jedoch eine Herausforderung, ihre erreichbare Wellenlänge auf den Bereich der Gammastrahlung zu reduzieren sowie gleichzeitig ihre Intensität beizubehalten oder zu erhöhen. Mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen wurde im Rahmen des Projekts N-LIGHT(öffnet in neuem Fenster) versucht, den Kompromiss zwischen Wellenlänge und Intensität mit abstimmbaren kristallbasierten Gammastrahlen-Lichtquellen zu überwinden, die eine Wellenlänge im Bereich unterhalb von Ångström und eine extrem hohe Brillanz aufweisen. Es gibt zahlreiche spannende Anwendungsmöglichkeiten auf Gebieten der Grundlagenforschung, Industrie, Biologie und Medizin.
Kanalisieren mit Kristallen
Moderne Lichtquellen wie Freie-Elektronen-Röntgenlaser sind auf große magnetische Undulatoren angewiesen, um kohärentes Licht zu erzeugen. Das Team von N-LIGHT verfolgte einen radikalen Ansatz. Dabei ging es um die Nutzung kristalliner elektromagnetischer elektrostatischer Felder, die um Größenordnungen stärker als die mit supraleitenden Magneten erreichbaren Felder sind. Das kollektive elektrostatische Feld der Kristallatome dient dazu, die Bewegung geladener Teilchen, typischerweise Elektronen oder Positronen, im Kristall entlang kristallografischer Ebenen zu steuern, wobei dieses Phänomen als „Kanalisierung“ bekannt ist. Resultat dessen sind die transversale Schwingung der Teilchen und die Emission kanalisierender Strahlung. Der Koordinator der Projekts N-LIGHT, Andrey V. Solov’yov vom MBN Research Center(öffnet in neuem Fenster), erklärt: „In einem periodisch gekrümmten Kristall entsteht durch die Auf- und Abwärtsbewegung der Teilchen entlang der gekrümmten Ebenen eine zusätzliche Emission von ‚kristalliner Undulatorstrahlung‘.“ Diese starken kristallinen elektrostatischen Felder lenken ultra-relativistische Teilchen, d. h. Teilchen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen. Sie sind dabei effektiver als die modernsten Magnete und ermöglichen im Vergleich zu konventionellen Lichtquellen eine drastische Miniaturisierung und geringere Kosten.
Wegweisende theoretische, rechnerische und experimentelle Fortschritte
Auf der Grundlage theoretischer Entwicklungen, die das Biegeprofil der Kristallebenen mit der Variation der Dotierstoffatomkonzentration in Verbindung bringen, ergaben numerische Simulationen, dass die Kanalisierungseffizienz und die Intensität der kristallinen Undulatorstrahlung stark von der Strahlorientierung im Verhältnis zum gebogenen Kanalprofil am Kristalleingang abhängen. Die Simulationen demonstrierten außerdem, dass die Strahlungsintensität der kristallbasierten Lichtquellen die derzeit modernsten Gammastrahlenlichtquellen übertreffen könnte. Modernste Berechnungswerkzeuge ließen die Simulation des Ausbreitungsverhaltens von Einzelteilchen durch einen Kristall und die Vorhersage der Strahlungseigenschaften zu. Anhand einer umfassenden Kartierung der Betriebsparameter für akustisch angetriebene kristalline Undulatoren wurden praktische Bereiche ermittelt, die sowohl für den Beschleuniger MAMI(öffnet in neuem Fenster) als auch für die Beschleuniger der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN)(öffnet in neuem Fenster) relevant sind. „Durch Molekulardynamiksimulationen wurden erstmalig strukturelle Veränderungen charakterisiert, die durch die Dotierung von Diamant mit Bor und von Silizium mit Germanium hervorgerufen werden“, erklärt Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiat Andrei Korol. Diese Erkenntnisse wurden in Form greifbarer experimenteller Meilensteine umgesetzt. Es wurden zwei kristalline Undulatoren hergestellt – einer durch Gradienten-Bordotierung von Diamant, der andere durch Abscheidung dehnbarer Schichten auf Silizium – und am MAMI bzw. CERN Tests unterzogen. Solov’yov und Korol dazu: „Die experimentelle Kampagne erbrachte zwei bahnbrechende Neuheiten in einem einzigen Experiment: die erste direkte Beobachtung von kristalliner Undulatorstrahlung aus einem bordotierten Diamantkristall, der einem Elektronenstrahl ausgesetzt war, und die erste Beobachtung von Positronenkanalisierung (beide am MAMI).“
Strahlende Zukunft für kristallbasierte Gammastrahlen-Lichtquellen
Der Bau von kristallbasierten Lichtquellen erfordert einen langen und anspruchsvollen Prozess: Vorbereitung von Kristallproben, Entwurf und Manipulation von Teilchenstrahlen sowie Nachweis und Charakterisierung der Strahlung, alles unterstützt durch theoretische Analysen und fortgeschrittene Berechnungsmodellierung. Das Team von N-LIGHT hat diesen Weg in seiner Gesamtheit beschritten. Ein Übergang zur Industrialisierung wird Zeit brauchen. Lässt man sich jedoch von historischen Parallelen zu Synchrotronen, optischen Lasern, Laser-Compton-Lichtquellen und Freie-Elektronen-Röntgenlasern inspirieren, so bergen diese bahnbrechenden Gammastrahlen-Lichtquellen das Potenzial der Entstehung von Industriezweigen im Wert von Milliarden Euro, die weitreichende positive Auswirkungen auf die Gesellschaft haben werden.