Röntgenanalytik - Aufbau einer technologischen Plattform für Gerätetechnik auf dem Gebiet der zeitaufgelösten Röntgenanalytik - Potsdam

Die WK-Potenzial-Initiative

Die Röntgenanalytik hat sich seit langem als methodisches Instrumentarium für die Charakterisierung von Stoff- und Strukturdaten von unterschiedlichen Materialien etabliert. Die bisher vorwiegend eingesetzten Techniken zielen auf die Bestimmung von statischen Parametern wie etwa die Elementzusammensetzung oder die Elementarstruktur. Die dazu genutzten Analysenmethoden, die Spektroskopie und Diffraktometrie sind eingeführt und werden von verschiedenen Firmen in Deutschland, die auf Röntgenanalysentechnik spezialisiert sind, in breiter Palette angeboten.

Zunehmend werden aber auch Fragestellungen für die Aufklärung von vorübergehenden Zuständen relevant, etwa die Veränderung von Bindungen oder die Untersuchung von schnellen Phasenumwandlungen. Derartige Prozesse können nur mit zeitaufgelösten Methoden bearbeitet werden, wobei die Zeitauflösung im ps- oder sogar im fs-Bereich liegen muss. Das ist mit einer signifikanten Erweiterung des analytischen Aufwandes verbunden. Aber es werden damit auch Möglichkeiten geschaffen, Untersuchungen auf atomarer Ebene in Zeitbereichen durchzuführen, die für die primären Atombewegungen charakteristisch sind, wie sie z.B. nach der Veränderung einer Bindung ablaufen. Eine wichtige Triebkraft für die Entwicklung ultraschneller Röntgenmethoden sind die Freie-Elektronen-Laser für harte Röntgenstrahlen, XFEL in Hamburg und LCLS in Stanford.

Drei Unternehmen aus der Region Berlin-Brandenburg haben sich mit einer Arbeitsgruppe der Universität Potsdam zusammengeschlossen, um eine erste technologische Plattform aufzubauen, mit der Röntgenanalyseverfahren mit einer Zeitauflösung von weniger als einer Pikosekunde durchgeführt werden können: das Institute of Scientific Instruments GmbH (IfG), die Feinmechanik Teltow GmbH (FMT) und die Crystal photonics GmbH. Da es sich um ein hochinnovatives Forschungsfeld handelt, fungiert die Arbeitsgruppe für „Ultraschnelle Dynamik Kondensierter Materie“ am Institut für Physik und Astronomie der Universität Potsdam als leitender Projektpartner. Hier werden die Module der Plattform zu einem Gesamtaufbau zusammengefügt, mit dem sich neuartige Demonstrationsexperimente durchführen lassen.

Die Ziele

Ziel des Projektes ist es, einerseits die Module der technologischen Plattform zu entwickeln und zu optimieren, anderseits durch die Durchführung von Vorzeigeexperimenten neue kommerzielle Anwender für einzelne Module der Plattform zu interessieren, oder sogar größere Aufbauten als Prototypen umzusetzen.

Der Arbeitsplan gliedert sich in zehn Arbeitspakete mit jeweils mehreren Unterpunkten. Zusammengefasst müssen folgende Schritte durchgeführt werden:
  • Planung der Module und des Gesamtkonzeptes der technologischen Plattform
  • Technische Durchführung: Herstellen der Module als Prototyp und Aufbau an der Universität Potsdam
  • Test der Plattform und des Gesamtkonzeptes mittels eines bekannten Diffraktionsexperimentes
  • Testweise Durchführung verschiedener innovativer Anwendungen
  • Optimierung einzelner Module
  • Dokumentation der Arbeiten

Mit der Entwicklung von Baugruppen für die zeitaufgelöste Röntgenanalytik werden Voraussetzungen für völlig neuartige analytische Möglichkeiten geschaffen, deren Nutzung in der nächsten Zeit in starkem Maße zunehmen wird. Die auf diesem Gebiet einmalige Konstellation der Verfügbarkeit von neuesten Ergebnissen der Grundlagenforschung mit sehr hohem Innovationsgrad und der Möglichkeit von deren Umsetzung in die gesellschaftliche Praxis soll hier genutzt werden, um einen regionalen Wachstumskern zu schaffen. Damit können neue Arbeitsplätze geschaffen und die Leistungsfähigkeit von Wissenschaft und Wirtschaft in der Region nachhaltig gesteigert werden.

Die Projekte

  • Laserbasierte Plasmaquelle (LPQ)
    Die zentrale Entwicklung der Plattform für zeitaufgelöste Röntgenanalytik ist eine laserbasierte Plasmaquelle. Sie besteht aus einer Vakuumapparatur, in der ein Kupferband durch hochintensive, ultrakurze Laserpulse zur Emission harter Röntgenstrahlung angeregt werden kann, die ihrerseits ultrakurze Pulsdauer aufweist. Wegen der hochenergetischen Wechselwirkungen müssen viele technische Details so verbessert werden, dass ein nutzerfreundliches und sicheres Instrument entsteht.
  • Charakterisierung der Ultrakurzen Röntgenpulse
    Die ultrakurzen Pulse müssen insbesondere bezüglich ihrer spektralen Charakteristik, der Pulsdauer und zeitlichen Stabilität untersucht werden. Hier werden entscheidende technische Entwicklungen durchgeführt und in das Gesamtsystem des Prototypen integriert.
  • Pump-Probe Aufbau
    Mit Hilfe der LPQ werden verschiedene Röntgen-Techniken auf die ultrakurze Zeitskala übertragen, indem sogenannte „Pump-Probe-Verfahren“ eingesetzt werden. Ein Laserpuls regt ein physikalisch, technisch oder biochemisch interessantes System an, und ein zeitverzögerter harter Röntgenpuls generiert „Schnappschüsse“ der induzierten Bewegungen auf atomarer Ebene. Hier sind verschiedene Adaptionen und Entwicklungen hinsichtlich der Röntgenoptiken, Röntgendetektoren und Probenumgebungen zu leisten.

Die Partner

  • AG Ultraschnelle Dynamik kondensierter Materie, Institut für Physik und Astronomie, Universität Potsdam
  • Institut für Gerätebau (IfG GmbH)
  • Feinmechanik Teltow (FMB GmbH)
  • Crystal GmbH

Kontakt

Prof. Dr. Matias Bargheer
Universität Potsdam
Institut für Physik und Astronomie
Karl-Liebknecht-Str. 24/25, Haus 28
14476 Potsdam 
Tel.: 0331 977-4272
Fax: 0331 977-5493
E-Mail: bargheer[at]uni-potsdam.de 


Laufzeit: 0101.2009-31.12.2010