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Ein optisches Bauteil vereint Röntgenbilder und Spektroskopie
Bei der Untersuchung von Materialien erfordern Röntgenbilder und die Analyse elektronischer Eigenschaften meist unterschiedliche optische Funktionen. Ein internationales Forschungsteam hat nun beides mit einer einzigen nanostrukturierten Reflexionszonenplatte experimentell demonstriert. Bei einem Vergleich an runden Testmustern verkürzte das linienweise Abtasten die Aufnahmezeit auf etwa ein Siebenundzwanzigstel.
Sendai (Japan). Weiche Röntgenstrahlen können nicht nur innere Strukturen sichtbar machen. Anhand ihrer Energieverteilung lassen sich auch Informationen über die Elektronen eines Materials und dessen chemische Bindungen gewinnen. Um solche Signale zu messen, sind normalerweise mehrere präzise aufeinander abgestimmte optische Komponenten nötig.
Eine Reflexionszonenplatte könnte diese Instrumente vereinfachen. Ihre Oberfläche besteht aus sehr feinen, gezielt angeordneten Strukturen, die Röntgenlicht reflektieren, bündeln und nach seiner Energie auftrennen. Ob sich eine solche Optik trotz möglicher Abbildungsfehler auch für flächige Bilder nutzen lässt, war bislang nicht ausreichend experimentell geklärt.
Forscher der Tohoku University um Prof. Zhong Yin haben nun die Bildgebung und die resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS) mit einer solchen Platte erprobt. Bei RIXS wird die beim Streuen veränderte Energie von Röntgenphotonen gemessen, um elektronische und molekulare Anregungen zu untersuchen. Die Versuche fanden an der Messstation P04 der Synchrotronquelle PETRA III in Hamburg statt.
Zunächst untersuchte das Team feste Testmuster mit sternförmigen Strukturen und dem Schriftzug „RIXS“. Statt jeden Bildpunkt einzeln abzutasten, beleuchteten die Forscher jeweils eine schmale Linie und verschoben die Probe schrittweise. Aus den aufgezeichneten Streifen setzten sie anschließend zweidimensionale Bilder zusammen.
Dabei erreichte das Verfahren eine räumliche Auflösung von etwa 14 bis 24 Mikrometern. Für kreisförmige Teststrukturen benötigte der Linienscan bei vergleichbarer Abtastung nur ungefähr ein Siebenundzwanzigstel der Zeit einer herkömmlichen punktweisen Messung. Der Geschwindigkeitsvorteil ist damit zunächst für die untersuchten Testbedingungen belegt.
Entscheidend war, dass die Zonenplatte nur Röntgenstrahlen aus einem begrenzten Winkelbereich erfasste. In diesem sogenannten paraxialen Betrieb blieben jene optischen Abbildungsfehler klein, die bei ausgedehnten Objekten sonst die Darstellung verzerren könnten. Dadurch ließen sich auch mit einer auf andere Energien ausgelegten Platte noch erkennbare Muster aufnehmen.
„Unsere Experimente zeigen, dass eine Reflexionszonenplatte mit einem kompakten optischen Aufbau sowohl räumliche als auch spektroskopische Informationen liefern kann“, erklärt Dr. Jens Rehanek vom Paul Scherrer Institut (PSI).
Anschließend prüften die Wissenschaftler die spektrale Messfunktion an einem Flüssigkeitsstrahl aus Acetonitril in Ethanol. Die Probe wurde entlang einer schmalen Linie mit Röntgenlicht unterschiedlicher einfallender Energien bestrahlt. Auf dem Detektor diente eine Richtung zur Unterscheidung der Anregungsenergien, während die dazu senkrechte Richtung die Energie der ausgesandten Photonen auflöste.
So entstand eine zweidimensionale RIXS-Karte, welche die Energie des einfallenden mit der des austretenden Röntgenlichts verknüpft. Bei Anregungsenergien von 399 bis 400 Elektronenvolt registrierte das Team Emissionssignale zwischen 388,6 und 401,8 Elektronenvolt. Darin waren unter anderem elastische und inelastische Beiträge sowie Schwingungsmerkmale in der Nähe der Stickstoff-K-Kante erkennbar.