Ein hochempfindliches Spektrometer für harte Röntgenstrahlung
Photonenenergien von über 15 Kiloelektronenvolt lassen sich mit höchster Präzision und verbesserter Effizienz nachweisen.
Forscher am European XFEL haben ein neues Messgerät für Röntgenlicht sehr hoher Photonenenergien entwickelt – ein 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.
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Die Hauptbestandteile von Spektrometern für Röntgenstrahlung sind in der Regel extrem präzise geschliffene Kristalle aus Silizium oder Germanium. Traditionell arbeiten die Röntgenspektrometer in der Bragg-Geometrie: Das Röntgenlicht trifft auf den Kristall und wird dann an den parallel zur Oberfläche verlaufenden Atomebenen gebeugt. Aus Richtung und Intensität der gestreuten Strahlung können die Forscher Rückschlüsse auf die elektronischen Eigenschaften der untersuchten Materialien ziehen.
European XFEL liefert 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 wird das Signal sehr schwach.
Das jetzt von Forschern an der FXE-Experimentierstation von European XFEL entwickelte Spektrometer entwickelt, das auch bei Energien von weit über 15 Kiloelektronenvolt aussagekräftige Ergebnisse liefert. Es arbeitet in der 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“, kurz HELIOS, steht nun allen Nutzern am European XFEL zur Verfügung. Es bietet nicht nur eine extrem hohe Präzision, sondern erreicht Im Vergleich zu herkömmlichen Spektrometern eine 4 bis 22 Mal höhere Signalstärke. Damit lassen sich besonders interessante elektronische Übergänge in 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 photokatalytischen 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.
European XFEL / RK
