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Erste mikroskopische Hochgeschwindigkeitsfilme mit hartem Röntgenlaserlicht

Neue Technik ermöglicht Untersuchung industriell bedeutsamer Materialien und Prozesse

30.08.2019

Eine Forschergruppe hat am europäischen Röntgenlaser European XFEL zum ersten Mal Hochgeschwindigkeitsmikroskopie mit harten Röntgenlaserstrahlen durchgeführt. Das Team hat dabei in Superzeitlupe die Explosion einer kleinen Glaskapillare mit einer räumlichen Auflösung im Mikrometerbereich (tausendstel Millimeter) gefilmt. Das Verfahren ermöglicht die Beobachtung von Prozessen, die mit Geschwindigkeiten von bis zu einigen Kilometern pro Sekunde ablaufen und ebnet den Weg für 3D-Mikroskopiefilme von schnellen Phänomenen mit wichtigen industriellen Anwendungsmöglichkeiten, wie die Forscher um DESY-Wissenschaftler Patrik Vagovič vom Center for Free-Electron Laser Science, der nun als Gastwissenschaftler am European XFEL arbeitet, und den Leitenden European-XFEL-Wissenschaftler Adrian Mancuso im Fachblatt „Optica“ berichten.

Für das Experiment nutzte das Team die Experimentierstation SPB/SFX (Single Particles, Cluster and Biomolecules/Serial Femtosecond Crystallography) am European XFEL. Mit einem hellen optischen Laser ließen die Wissenschaftler eine wassergefüllte Glaskapillare mit einem Durchmesser von 300 millionstel Metern (300 Mikrometern) explodieren, die sie dann mit vielen, sich stroboskopartig wiederholenden Röntgenpulsen filmten. Die Ergebnisse zeigen Form, Ausrichtung und Geschwindigkeiten der Wassertropfen und Glasscherben in jedem aufgenommenen Bild, berechnet mit verschiedenen Methoden. Die Bilder zeigen deutlich bewegte Objekte im Mikrometerbereich, die bis zu 100 Kilometer pro Stunde schnell sind.

Das gleiche Experiment hat das Team auch an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF im französischen Grenoble durchgeführt, wo es sogar Bewegungen mit Geschwindigkeiten im Bereich von Kilometern pro Sekunde aufzeichnen konnte. Die räumliche Auflösung und der Kontrast (das Signal-Rausch-Verhältnis) jeweils etwa zwei Mal geringer waren als beim Röntgenlaser, der mehr Photonen pro Puls liefern kann. An beiden Anlagen zeichneten die Forscher Bilder im Megahertz-Takt auf. Das entspricht umgerechnet mehr als einer Million Aufnahmen pro Sekunde - allerdings sind die Filme typischerweise nur etwa 60 millionstel Sekunden (60 Mikrosekunden) lang.

Die Wissenschaftler sehen noch Optimierungspotenzial und halten eine Bildrate von 4,5 Megahertz am European XFEL mit einer räumlichen Auflösung im Submikrometerbereich für erreichbar. „Weil der European XFEL mehrere Größenordnungen mehr Photonen pro Puls liefert als jede Synchrotronstrahlungsquelle und als einziger Röntgenlaser eine Megahertz-Wiederholrate von harten Röntgenlichtpulsen liefert, können wir die bisherigen Grenzen der Methode erweitern“, erläutert Hauptautor Vagovič. „Bei vielen Proben, bei denen wir vorher nur simulieren konnten, was in kurzen Zeitabschnitten auf mikroskopischer Ebene vor sich geht, hätten wir dann zum ersten Mal ein Werkzeug, um Bewegungen direkt zu beobachten.“

Solche Filme könnten mit einer räumlichen Auflösung feiner als ein millionstel Meter zeigen, was bei komplexen Prozessen passiert, und gleichzeitig verborgene innere Details aufdecken. Während die meisten anderen Anwendungen von Röntgenlasern auf der kurzen Wellenlänge der erzeugten Strahlung basieren, durch die sich strukturelle Details bis in den atomaren Bereich entschlüsseln lassen, nutzt diese Methode vor allem die hohe Eindringtiefe der Röntgenstrahlen. Wie bei medizinischen Röntgenbildern anschaulich zu sehen ist, können Röntgenstrahlen die inneren Strukturen eines Materials in teils großem Detailreichtum abbilden, was mit sichtbarem Licht nicht möglich ist.

Mikroskopie mit Röntgenlasern dürfte für die Industrie von großem Interesse sein und könnte zur Entwicklung widerstandsfähigerer und langlebigerer Materialien genutzt werden. Beispielsweise ließe sich in Zeitlupe beobachten, welche mikroskopischen Prozesse in durch Düsen gespritzten Flüssigkeiten, in neuartigen Spritzen und in mikrofluidischen Systemen stattfinden. Industrielle Prozesse wie die Wasserstrahlkavitation oder das Zerstäuben von Flüssigkeitsstrahlen für Sprays könnten ebenso untersucht werden wie die Hohlraumbildung in Flüssigkeiten und Stoßwellen.

„Dies ist ein wichtiges Verfahren, um Prozesse in Materialien zu beobachten, die weniger als eine Mikrosekunde dauern und bei denen Abstände unter einem Mikrometer relevant sind“, sagte Adrian Mancuso, leitender Wissenschaftler der Experimentierstation SPB/SFX. „Das eröffnet Möglichkeiten für Experimente, die derzeit nirgendwo sonst gemacht werden können.“

Darüber hinaus würde ein Verfahren mit der extrem hohen Leuchtstärke des European XFEL es erlauben, die Probe gleichzeitig aus mehreren Blickwinkeln zu filmen. Eine Probe könnte dann in Zeitlupe, auf mikroskopischer Ebene und in 3D dargestellt werden.

An der Studie waren Wissenschaftler von European XFEL, der Tschechischen Akademie der Wissenschaften, der P.J. Šafárik University in der Slowakei, der Lund University in Schweden, Diamond Light Source and University College London in Großbritannien, dem Karlsruhe Institute of Technology in Deutschland, der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Frankreich und DESY beteiligt.

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