Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal
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Abbildung 1Blitzaufnahmen bei FLASHE<strong>in</strong> Meilenste<strong>in</strong> auf dem Weg zur Methode der hochauflösendenRöntgenmikroskopie gelang Forschern am Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY <strong>in</strong> Hamburg.Bei der Abbildung kle<strong>in</strong>ster Objekte <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Mikroskop begrenztdie zur Abbildung verwendete Optik neben der Wellenlängedes Lichts die Schärfe des Bildes. Mit zunehmenderAuflösung wird es immer schwieriger, e<strong>in</strong>e geeignete Optik zubauen.Daher haben Wissenschaftler des Teams um Henry Chapman<strong>in</strong> ihren Arbeiten im Jahre 2006 die Strahlungspulse desFreie-Elektronen-Lasers FLASH bei DESY <strong>in</strong> Hamburg verwendet,um <strong>mit</strong> Hilfe der sogenannten Abbildung durch Streuung<strong>mit</strong> kohärenter Strahlung ohne abbildende Optiken auszukommen.Sie nutzten dabei die Laserlichtartigkeit (Kohärenz) derStrahlung aus. Die Arbeit wurde <strong>in</strong> Nature veröffentlicht.Experimentell ist das Verfahren leicht zu verstehen: Zunächstwurde <strong>mit</strong> Hilfe e<strong>in</strong>es Nanostrukturierungsverfahrensdie Testprobe hergestellt (zwei Strichmännchen unter der Sonne<strong>in</strong> e<strong>in</strong>er dünnen Siliziumnitridmembran). Der ultrakurze Laserpulsvon FLASH wurde leicht auf diese Probe fokussiert und belichtetesie für etwa 25 billiardstel Sekunden (25 fs) – e<strong>in</strong>e Zeit,<strong>in</strong> der die Bewegung der Atome e<strong>in</strong>gefroren ist. Das von derProbe gestreute Licht wurde dann über e<strong>in</strong>en Spiegel auf e<strong>in</strong>enDetektor gelenkt, während der direkte ungestreute Strahl durche<strong>in</strong> Loch im Spiegel weitergeleitet wurde. Auf diese Weise entstande<strong>in</strong> Streubild, das <strong>mit</strong> Hilfe des Computers zurückgerechnetwerden kann. Das rekonstruierte Bild zeigt e<strong>in</strong>e hoheDetailtreue und hat e<strong>in</strong>e Ortsauflösung von 62 nm, was etwae<strong>in</strong>em Tausendstel e<strong>in</strong>er Haaresbreite entspricht.Die kurze Belichtungszeit und hohe Ortsauflösung hat hierjedoch ihren Preis: Die Intensität im FEL-Puls war so hoch, dasssich die Probe auf ca. 60.000 Grad erhitzte bevor sie verdampfte.Die Kürze des beleuchtenden Pulses reichte jedoch aus, zuvore<strong>in</strong> scharfes Bild aufzuzeichnen. Die Ortsauflösung ist hierdurch die Wellenlänge der Laserstrahlung und den beleuchtetenÖffnungsw<strong>in</strong>kel des Detektors beschränkt und hat da<strong>mit</strong>das Potential, <strong>in</strong> Zukunft am European XFEL erheblich gesteigertzu werden.Mit diesem Experiment wurden sowohl die Abbildung <strong>mit</strong>e<strong>in</strong>zelnen FEL-Pulsen demonstriert als auch Modelle zur Entstehungvon Strahlenschäden bei Beleuchtung <strong>mit</strong> <strong>in</strong>tensiverFreie-Elektronen-Laserstrahlung verifiziert. Es stellt so<strong>mit</strong> e<strong>in</strong>enMeilenste<strong>in</strong> auf dem Weg zur hochauflösenden Röntgenmikroskopiedar, <strong>in</strong>sbesondere für strahlenempf<strong>in</strong>dliche biologischeProben, die während längerer Belichtung zerstört würden undso<strong>mit</strong> nicht <strong>mit</strong> herkömmlichen Verfahren abgebildet werdenkönnen. Durch geeignete <strong>mit</strong> dem Laserpuls synchronisierte Anregungder Probe, etwa durch e<strong>in</strong>en ebenso kurzen Laserpulsim sichtbaren Bereich, können <strong>mit</strong> dieser Methode auch strukturelleVeränderungen auf atomarer Zeitskala er<strong>mit</strong>telt werden.Ziel ist es, die Ortsauflösung zu erhöhen, bis h<strong>in</strong> zur Wellenlängeder e<strong>in</strong>gesetzten Strahlung, die für harte Röntgenstrahlungim atomaren Bereich liegt.Abbildung 2Abbildung 3Abbildung 1:Der Freie-Elektronen-Laserstrahl(von l<strong>in</strong>ks) wirdauf e<strong>in</strong>e Testprobe gebündelt,die aus zwei Strichmännchenund e<strong>in</strong>erSonne besteht. Die Längedes Balkens im Bild entsprichte<strong>in</strong>em Mikrometer.Die von der Probe gestreuteLaserstrahlungwird <strong>mit</strong> Hilfe e<strong>in</strong>es Spiegelsauf e<strong>in</strong>en Detektorreflektiert, während derungestreute Strahl, derden Detektor <strong>in</strong> hohemMaße überbelichtenwürde, durch e<strong>in</strong> Loch imSpiegel weitergeleitetwird.Abbildung 2:Streubild der Testprobe,das <strong>mit</strong> e<strong>in</strong>em e<strong>in</strong>zigenPuls von ca. 25 FemtosekundenLänge aufgezeichnetwurde.Abbildung 3:Bild der Probe, das ausdem Streubild <strong>mit</strong> Hilfedes Computers rekonstruiertwurde.WissenschaftlicheVeröffentlichung:Henry Chapman, et al.:Femtosecond diffractiveimag<strong>in</strong>g with a soft-X-rayfree-electron laser.Nature Physics 2 839-843(2006)<strong>Synchrotronstrahlung</strong> <strong>2009</strong> 33