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04.04.2013 | Röntgenstrahlung ihre Geheimnisse entlocken

Foto: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Das von GSI entwickelte Polarimeter kann auch hochenergetische Röntgenstrahlung gut auflösen.

Mithilfe vieler Siliziumsegmente können die Wege der Photonen genau verfolgt werden.

Mithilfe vieler Siliziumsegmente können die Wege der Photonen genau verfolgt werden.

 

Bisher konnten Wissenschaftler die Polarisation von Röntgenstrahlung nur grob ermitteln. Die Information, in welcher Ebene im Raum eine Welle schwingt, ist aber für viele Forschungsbereiche wichtig: So verrät sie zum Beispiel wie große Magnetfelder in Supernovae oder in Sonneneruptionen orientiert sind. Ein von GSI-Wissenschaftlern entwickeltes Röntgen-Polarimeter kann die Polarisation nun in hoher Auflösung auslesen. „Die Polarisation verrät uns, was genau die Röntgenstrahlung erzeugt hat“, so Professor Thomas Stöhlker, der Hauptentwickler. „Wir können so nicht nur astrophysikalische Vorgänge besser interpretieren, ein Polarimeter dieses Typs hilft auch Experimente an der Teilchenbeschleunigeranlage FAIR besser auszuwerten.“

Wie schwingen die Wellen der Röntgenstrahlung? Das beschäftigt Thomas Stöhlker, Leiter der Atom- und Plasmaphysik bei GSI und des Helmholtz-Instituts Jena. Elektromagnetische Strahlung, die entweder aus dem Universum eingefangen wird oder bei einem Beschleuniger-Experiment entsteht, kann man – wie das Licht in einem Prisma – entsprechend ihrer Wellenlänge analysieren. Das gibt zum Beispiel Aufschluss darüber wie die Atome in einem Experiment angeregt wurden. Doch bei einer Supernova und in manchen Beschleunigerexperimenten entsteht vor allem hochenergetische Röntgenstrahlung, die auf Grund ihrer kurzen Wellenlänge für herkömmliche Geräte schwer analysierbar ist. „Hier hilft unser Polarimeter weiter, um herauszufinden, was die Strahlung verursacht“, so Stöhlker. „Denn je nachdem, durch welchen Mechanismus oder durch welches Ereignis auf atomarer Ebene die Röntgenstrahlung erzeugt wurde, schwingt die Welle in unterschiedlicher Richtung.“

Mit der neuen Teilchenbeschleunigeranlage FAIR werden Wissenschaftler astrophysikalische Vorgänge im Kleinen erzeugen und mit dem Polarimeter vermessen. „Die Ergebnisse helfen uns Ereignisse im All, die wir mit Teleskopen beobachten, richtig zu verstehen“, sagt Stöhlker.

Um die Polarisation zu messen, machen sich die Wissenschaftler den Compton-Effekt zu nutze. Der Detektor besteht aus einem großen Siliziumkristall, der in viele kleine Segmente unterteilt ist. Röntgenstrahlung besteht aus Photonen. Trifft eines auf den Kristall, gibt das Photon Energie an ein Elektron ab, das sich in der Hülle eines Siliziumatoms befindet. Doch nur ein Teil der Energie wird in dem Stoß übertragen, daher bewegt sich das Photon anschließend mit geringerer Energie in anderer Richtung fort. Da die Detektor-Pixel sehr klein sind, wird das gestreute Photon in einem der benachbarten Pixel gestoppt, so dass seine Bahn genau verfolgt wird. Der Streuwinkel und die Energie des Photons sind dabei die entscheidenden Informationen für die Forscher. Daraus lässt sich sowohl der Grad der Polarisation als auch die Polarisationsachse ablesen.

„An PETRAIII bei DESY, eine der modernsten Photonenquellen, haben wir unseren Detektor getestet. Dort entsteht harte Röntgenstrahlung, die fast zu hundert Prozent polarisiert ist. Das half uns, unser Messgerät einzustellen“, erklärt Stöhlker. Die Wissenschaftler veröffentlichten in Physical Review Letters, dass sie aus der Polarisation der beim Abbremsen von Elektronen emittierten Röntgenstrahlung erstmals auf sonst verborgene Eigenschaften der Elektronen Rückschlüsse ziehen konnten. „Das Polarimeter haben wir vor allem für atomphysikalische Experimente der SPARC-Kollaboration an der neuen Beschleunigeranlage FAIR entwickelt. Diese Kollaboration für  Atomphysik an gespeicherten Teilchen kann damit nun polarisationsabhängige Phänomene genau untersuchen, wie sie auf atomarer und subatomarer Ebene auftreten“, fasst Stöhlker die Bedeutung des neuen Polarimeters zusammen.

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Originalveröffentlichung: Polarization Transfer of Bremsstrahlung Arising from Spin-Polarized Electrons, Physical Review Letters


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Das von GSI entwickelte Polarimeter kann auch hochenergetische Röntgenstrahlung gut auflösen.
Mithilfe vieler Siliziumsegmente können die Wege der Photonen genau verfolgt werden.
Foto: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH