Mit Lasertechnik zu sekundären Strahlquellen
Lasergetriebene Strahlquellen emittieren Terahertz-, EUV- oder Röntgenstrahlung und sind auch als Neutronenquellen und zur effizienten Teilchenbeschleunigung geeignet. Solche Secondary Sources gelten als vielversprechendes Zukunftsfeld der Photonik.
Neutron Imaging liefert präzise Bilder, wo mit Licht und selbst mit Röntgenstrahlung kein Durchkommen ist. Auch schwere Metalle wie Blei oder Uran können Neutronenstrahlen nicht aufhalten. Zugleich hat das Verfahren den Vorteil, dass Neutronen Materialien durchdringen, ohne sie zu schädigen oder mit ihnen zu interagieren. Das liegt daran, das Neutronen – wie es ihr Name verrät – neutral sind. Als ungeladene Teilchen ergänzen sie in Atomkernen die positiv geladenen Protonen.
Ihre Neutralität prädestiniert freie Neutronen für die Bildgebung. Denn sie interagieren nicht mit den Elektronen, die die Atomkerne der durchleuchteten Materialien umkreisen. Lediglich die Atomkerne selbst beeinflussen die Intensität, mit der Strahlung wieder aus dem Material austritt. Diesen Effekt nutzt das Neutron Imaging analog zu Röntgenverfahren, um darüber Informationen über das durchleuchtete Material zu gewinnen. Das funktioniert auch, um das Innere von fest verschlossenen, dickwandigen Behältern zu erkunden. Allerdings hat diese Art der Bildgebung einen Nachteil: Objekte mussten dafür in Großanlagen gebracht werden, weil nur dort entsprechende Neutronenquellen verfügbar sind. Dort werden meist Protonen auf massereiche Atomkerne wie Blei geschossen, die in mehrere leichtere Kerne zersplittern und dabei jeweils gut ein Dutzend Neutronen freisetzen. Diese Reaktion und das Ausrichten der freigesetzten Neutronen braucht Platz: Die Teilchenbeschleunigeranlagen sind oft einige hundert Meter lang.
Lasertechnik als Schlüssel zu kompakten Strahlquellen
Doch aktuell tut sich eine Alternative auf: Die stark steigenden Leistungen und Pulsenergien von Ultrakurzpuls-(UKP)-Lasern eröffnen einen neuen, hocheffizienten Weg zur Erzeugung von gerichteter Neutronenstrahlung. Dafür werden Deuteronen – Atomkerne des schweren Wasserstoffs Deuterium – mit hochenergetischen Laserpulsen beschossen. Die eigentliche Teilchenbeschleunigung findet auf weniger als einen Millimeter statt und erzeugt genügend Neutronen für das Neutronen-Imaging. Jüngst ist ein Förderprojekt des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gestartet, in dem ein Konsortium aus acht Industrie- und Forschungspartnern antritt, um eine konkrete Anwendung dieser Laser Neutronenquellen zu realisieren. Es geht darum, den Inhalt fest verschlossener, strahlungsabgeschirmter Fässer und Container mit schwach bis mittelradioaktiven Abfällen zu erkunden. Die Behälter stehen teils schon sehr lange in Zwischenlagern, und es fehlt an Dokumentation ihres Inhalts. Ziel des Projekts, in dem diverse Aussteller der LASER World of PHOTONICS mitwirken, ist es, eine kompakte laserangeregte Neutronenquelle zu entwickeln. Diese könnte künftig auch Container und Gepäckstücke an Häfen und Flughäfen durchleuchten, um die bestehende Bildgebung im Kampf gegen den Schmuggel von Waffen, Sprengstoffen, Drogen oder von geschützten Arten zu unterstützen.
Breites Anwendungsspektrum von Secondary Sources
Die Laseranregung sekundärer Strahlquellen gilt als photonischer Zukunftsmarkt. Wobei die Zukunft längst begonnen hat. Im Herzen des Multimilliarden-Marktes EUV-Lithographie steht eine Secondary Source: Laserpulse wandeln Zinntropfen in Plasma, das die extreme ultraviolette Strahlung mit 13,5 Nanometern Wellenlänge abstrahlt. Mit Neutronen- und EUV-Strahlquellen sind die Möglichkeiten bei Weitem nicht erschöpft. So sind beispielsweise UKP-Laser des LASER World of PHOTONICS Ausstellers Amplitude im Einsatz, um Terahertzstrahlung (THz), Hohe Harmonische oder auch Röntgenstrahlung zu erzeugen. In vielen Fällen läuft die Anregung der Strahlung in den gewünschten Frequenzen und Wellenlängen wie bei den EUV-Strahlquellen über die Laser-Plasma-Interaktion. Die Entwicklung kompakter Hochleistungs-UKP-Laser ebnet nun Wege zu immer kompakteren Sekundärlicht- oder Teilchenquellen. Diese finden Anwendung in der Wissenschaft, Industrie und Medizin. Das Spektrum umfasst alleine bei Amplitude die lineare und nichtlineare Thz- und XUV-Spektroskopie, das Erzeugen von Röntgen- und Gamma-Strahlung für Imaging und Therapiezwecke, sowie die laserbasierte Beschleunigung von Elektronen, Protonen oder Hadronen – auch dies oft für medizinische Einsatzfelder wie die Protonentherapie.
Kompakte Alternativen zu teuren Großforschungsanlagen
Die Möglichkeiten kurz-gepulster Röntgen-, Neutronen- Elektronen- und Protonenstrahlung beziehungsweise der laserangeregten Beschleunigung dieser Teilchen sind auch für viele wissenschaftliche und industrielle Fragestellungen interessant. Gelingt es, damit kompakte Bildgebungslösungen zu entwickeln, würde das die zerstörungsfreie Prüfung auf ein neues Niveau heben, ließen sich jegliche Bauteile aber auch laufende Laserbearbeitungsprozesse bis ins kleinste Detail durchleuchten, ohne dafür aufwändige Versuchsreihen in den stark ausgelasteten Großforschungsanlagen organisieren zu müssen. Gerade die „Laser Wake Field Acceleration“ (LWFA) für die Elektronenbeschleunigung mit Hochenergie-Pulsen aus leistungsstarken UKP-Lasern gilt als vielversprechender Ansatz, um Alternativen zu teuren, raumgreifenden und chronisch überbuchten Synchrotrons zu schaffen. Zumal die Großgeräte aufgrund der Investitionssummen von hunderten Millionen Euro nicht in beliebiger Anzahl gebaut werden können.
Bedarf ist allemal da: Denn immer mehr Disziplinen ringen um ein tieferes Verständnis von Materialien und Prozessen auf der Nano- und Sub-Nanometerebene. Die kompakten, von UKP-Lasern angeregten Neutronen-, Thz-, XUV- und Röntgen-Strahlquellen könnten sich hierfür als große Hilfe erweisen. Gerade letztere sind mit ihren Wellenlängen von unter zehn Nanometern dafür prädestiniert, eine noch präzisere, räumlich und zeitlich höher aufgelöste Bildgebung zu ermöglichen. Denn wenn sie mit ultrakurzen Pulsen angeregt werden, können diese ultrakurzwelligen Lichtpulse Strukturen sichtbar machen, die der Wissenschaft bisher verborgen sind. Selbst der Sub-Nanometerbereich rückt in greifbare Nähe. Um praktikable Lösungen zu schaffen, werden Secondary Sources das Mittel der Wahl sein.