Neue Röntgenlinse liefert schärfere und hellere Bilder

Durch konventionelle Linsen dringt Röntgenstrahlung einfach hindurch, ohne gebeugt oder fokussiert zu werden. Zwar lassen sich die Strahlen durch Spezialspiegel nach und nach in die gewünschte Richtung lenken, doch das ist aufwendig. Eine alternative Methode bieten Kristalle mit ihrer Gitterstruktur, an der die Röntgenstrahlung gestreut wird. Dieses Prinzip nutzen Forscher nun auch für eine neuartige Röntgenlinse: Im Labor bauten sie einen künstlichen Kristall gezielt aus zahlreichen Schichten verschiedener Materialien auf. Die Entwickler um Andrew James Morgan vom Forschungszentrum DESY berichten über Entwurf, Produktion und erfolgreichen Test ihrer Linse im Fachblatt „Scientific Reports“.

Neue Röntgenlinse unter dem Mikroskop

Theoretische Berechnungen hatten den Wissenschaftlern gezeigt, dass die Lagen einer solchen Linse leicht keilförmig sein müssen, sodass sie gemeinsam den Ausschnitt aus einem Ring aufbauen, der einen Durchmesser vom Vierfachen der gewünschten Brennweite hat. Diese recht spezielle Eigenschaft ließ sich bislang nicht herstellen. Üblicherweise werden die gewünschten Materialien mithilfe der sogenannten Plasmazerstäubung zu einem feinen Nebel zerstäubt, um sich dann auf einem Trägermaterial abzulagern. Auf diese Weise lässt sich Schicht um Schicht auftragen. Das Team nutzte bei diesem Prozess nun eine Maske, mit der sich die Ablagerung der Schichten während der Herstellung teilweise abschatten ließ. Im Halbschatten der Maske entstand so die gewünschte keilförmige Struktur, wobei die Forscher den Kippwinkel der Schichten gegeneinander über den Abstand der Maske zum Trägermaterial präzise kontrollieren konnten.

Mit diesem Verfahren produzierten die Forscher eine Keilstruktur aus 5500 abwechselnden Schichten von Siliziumkarbid und Wolfram mit variierender Dicke. Die Linse, die Morgan und seine Kollegen schließlich aus dieser Struktur schnitten, ist 40 Mikrometer breit, 17,5 Mikrometer dick und 6,5 Mikrometer tief. Im Test an einer Messstation der Röntgenquelle PETRA III am DESY erzeugte die neuartige Linse einen Fokus von nur acht Nanometern, was nah am theoretischen Wert von sechs Nanometern liegt. Die Tests zeigten auch, dass die Helligkeit quer über die Linse sehr gleichmäßig ist – eine wichtige Voraussetzung für hochqualitative Abbildungen. Die Linse ist dabei so ausgelegt, dass bis zu sechzig Prozent des eingestrahlten Röntgenlichts den Fokus erreichen können. Dabei bündelt sie das Röntgenlicht zunächst nur in einer Richtung, was zu einer schmalen Linie führt. Um die Strahlung auf einen Punkt zu fokussieren, können zwei Linsen senkrecht hintereinander eingesetzt werden, von denen eine die vertikale und die andere die horizontale Fokussierung übernimmt.

„Die Ergebnisse belegen, dass unsere Fabrikationstechnik Linsen mit hoher Fokussierungskraft liefern kann. Wir sind überzeugt, dass wir mit unserer Methode sogar noch bessere Linsen erreichen können“, sagt Koautorin Saša Bajt, ebenfalls vom DESY. „Das seit Langem verfolgte Ziel, Röntgenstrahlung auf einen Nanometer zu fokussieren, scheint nun erreichbar.“ Damit würden Röntgenmikroskope die Auflösung von Rasterelektronenmikroskopen erreichen, wobei sie nicht auf die Untersuchung von Oberflächen oder extrem dünnen Proben beschränkt sind.