Hochempfindliches Spektrometer für harte Röntgenstrahlung entwickelt
„Das neue Spektrometer eröffnet völlig neue spektroskopische Möglichkeiten bei hohen Röntgenenergien"
Forschende am European XFEL haben ein neues Messgerät für Röntgenlicht sehr hoher Photonenenergien entwickelt – ein sogenanntes Laue-Spektrometer. Mit ihm lassen sich Photonenenergien von über 15 Kiloelektronenvolt mit höchster Präzision und verbesserter Effizienz nachweisen. Das ist wichtig für die Erforschung technisch bedeutender Materialien, die zum Beispiel Strom verlustfrei transportieren können oder dafür sorgen, dass chemische Prozesse effizienter ablaufen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Spektrometern beugt das neue Laue-Spektrometer die Röntgenstrahlen (rote Pfeile) an atomaren Schichten senkrecht zur Oberfläche des Kristalls.
© European XFEL
Um die Geheimnisse der Welt der Atome oder Moleküle zu entschlüsseln, verwenden Forschende häufig spezielle Messgeräte: sogenannte Spektrometer. Sie zeichnen das Licht auf, das Proben nach Anregungen aussenden. Aus der Art und Weise, wie die Objekte dies tun, erfahren die Forschenden viel über die physikalischen Prozesse, die in den Materialien ablaufen. Besonders aufschlussreich ist die Forschung mit Röntgenlicht; es dringt tief in die Proben ein und liefert wichtige Informationen über deren Aufbau und Zusammensetzung. Das Röntgenlicht, das für unsere Augen unsichtbar ist, kann aber nur mit speziellen Detektoren analysiert werden, mit Spektrometern beispielsweise.
Die Hauptbestandteile der Spektrometer sind in der Regel extrem präzise geschliffene Kristalle aus Silizium oder Germanium. Traditionell arbeiten die Röntgenspektrometer in der sogenannten Bragg-Geometrie: Das Röntgenlicht trifft auf den Kristall und wird dann an den parallel zur Oberfläche verlaufenden Atomebenen gebeugt, ähnlich wie Spiegel sichtbares Licht reflektieren. Aus Richtung und Intensität der gestreuten Strahlung können die Forschenden Rückschlüsse auf die elektronischen Eigenschaften der untersuchten Materialien ziehen.
European XFEL liefert nun Röntgenlicht mit besonders hohen Energien, das tief in die Materie eindringen kann. Das erschwert die Messungen: Ein Großteil des harten Röntgenlichts geht einfach ungenutzt durch den Kristall hindurch, weshalb die Leistung der klassischen Johann- oder Von-Hamos-Spektrometer rapide abnimmt. Ab 15 Kiloelektronenvolt (keV) wird das Signal sehr schwach.
Forschende an der FXE -Experimentierstation von European XFEL haben nun ein innovatives Spektrometer entwickelt, das auch bei Energien von weit über 15 keV aussagekräftige Ergebnisse liefert. Es arbeitet in der sogenannten Laue-Geometrie. Das bedeutet, dass die Röntgenstrahlen den Kristall durchdringen und an Atomschichten senkrecht zur Oberfläche gebeugt werden. Damit arbeitet der neue Laue-Analysator sogar umso effizienter, je höher die Röntgenenergie ist. „Unser optimiertes Design mit einer festen Krümmung und einem kurzen Biegeradius führt zu merklich geringeren Oberflächenverzerrungen, was den Aufbau und die Messung mit dem Laue-Spektrometer erheblich vereinfacht“, sagt Frederico Lima, Wissenschaftler an der FXE-Experimentierstation. Die Leistung dieses Spektrometers übertrifft sogar bisherige Konstruktionen mit dynamisch gekrümmten Laue-Analysatoren bei weitem.
Das neu entwickelte Gerät mit der Bezeichnung High Energy Laue X-ray Emission Spectrometer (HELIOS) steht nun allen Nutzerinnen oder Nutzern am European XFEL zur Verfügung. Es bietet eine extrem hohe Präzision von etwa 1,2 x 10-4 bei einer Photonenenergie von etwa 18,6 keV. Im Vergleich zu herkömmlichen Spektrometern erreicht es eine 4 bis 22 Mal höhere Signalstärke. Damit lassen sich besonders interessante elektronische Übergänge in sogenannten 4d-Übergangsmetallen nachweisen, die sonst nur sehr schwer zu messen sind. Zu den 4d-Übergangsmetallen gehören technisch wichtige Elemente wie Niob, Molybdän, Ruthenium, Palladium oder Silber.
„Das neue Spektrometer eröffnet völlig neue spektroskopische Möglichkeiten bei hohen Röntgenenergien, die fast nur am European XFEL möglich sind“, sagt Lima. Beispiele sind die Messung der fotokatalytischen Eigenschaften von Nanopartikeln, die 4d-Metalle enthalten, die Erforschung der Farbstoffsensibilisierung von Solarzellen sowie die Untersuchung von stark korrelierten Materialien, die als Supraleiter oder als neuartige Batteriekathoden oder -anoden für eine effiziente Energiespeicherung verwendet werden könnten.
Originalveröffentlichung
X. Huang, Y. Uemura, F. Ardana-Lamas, P. Frankenberger, M. Knoll, H. Yousef, H. Wang, S. Heder, M. Nachtegaal, G. Smolentsev, L. Wang, L. F. Zhu, C. Milne, F.A. Lima; "A high-energy Laue X-ray emission spectrometer at the FXE instrument at the European XFEL"; Journal of Synchrotron Radiation, Volume 32, 2025-3-31
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