May 26, 2023

Freie-Elektronenlaser (Röntgenlaser)

Ein Blog von Maximilian Traxler

Ein Freie-Elektronenlaser (FEL) oder auch Röntgenlaser setzt kurze Lichtblitze mit hoher Energie und Lasereigenschaften frei. Diese Lichtblitze haben viele Verwendungszwecke. Sie können in der Medizin, in der Forschung oder auch für militärische Zwecke eingesetzt werden. Seine Namen erhält er, da Elektronen nicht an Atome gebunden sind, sondern sich durch eine Magnetfeldanordnung frei bewegen können.

Geschichte

Röntgenstrahlung wurde offiziell von Wilhelm Conrad Röntgen im Jahre 1895 entdeckt. Dabei haben schon einige Physiker vor ihm Röntgenstrahlung erzeugt, wie Nikola Tesla. Röntgen hat die Bedeutung der Strahlen früh erkannt und schon bald hat er damit ein Röntgenbild von der Hand seiner Frau gemacht. Damit hat er den Grundstein für die heutige Verwendung von Röntgengeräten in der Medizin oder anderen Anwendungsbereichen gelegt.

John M. J. Madey hatte im Jahr 1971 die Idee für Röntgenlaser, welche aber erst 6 Jahre später umgesetzt wurde. Madey hat seine Idee in der UNI Stanford entwickelt.

Funktionsweise

Schnell Teilchen bedeuten mehr Energie. Wird ein Elektron abgebremst, so wird Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung, im Röntgenbereich abgegeben.

In einem Röntgenlaser werden Elektronen mithilfe eines Teilchenbeschleunigers in eine Slalombahn gebracht. An jeder Kurve wird das Teilchen abgebremst, wodurch es Energie abstrahlt. Je schneller das Teilchen ist, desto mehr Energie wird abgegeben. Hat man viele starke Magneten und viele Elektronen werden viele kurze Röntgenblitze abgestrahlt.

Dazu werden die Elektronen mit einem gezielten Laser angeregt. Das bedeutet, dass sie die Energie, der Photonen, mit denen sie bestrahlt werden, „aufnehmen“. Diese Energie muss anschließend wieder abgeben werden, das passiert in dem vorhin beschriebenen Prozess. Dadurch können die Elektronen noch mehr Energie abgeben, wodurch die Röntgenstrahlung am Ende noch intensiver ist.

Wenn man diese zwei Vorgänge also kombiniert, kann man viel intensivere Röntgenstrahlung abgeben. Mit einem Strahl aus einem FEL kann man einen kleine Punkt im Nanometerbereich ziemlich stark beleuchten, wodurch man in noch kleinere Welten der Natur oder anderen Dingen einen Einblick bekommen kann. Außerdem ist ein Röntgenlaser viel schneller als ein herkömmliches Röntgengerät, wodurch man besser Bilder dokumentieren kann und sogar 3D-Modelle von kleinen Viren und Molekülen generieren kann.

Verwendung

Einen Röntgenlaser kann man in vielen Bereichen einsetzten, wie in der Medizin oder auch für militärische Zwecke.

Molekularebene

Durch einen FEL kann man Moleküle, Bakterien oder Viren viel genauer untersuchen. Damit könnte man chemische Reaktionen viel genauer dokumentieren und so Materialien in allen Bereichen stark verbessern. Außerdem könnte man die Funktionsweise von Viren und Bakterien besser untersuchen, wodurch man in Zukunft bessere Heilmittel gegen Bakterien oder Viren entwickeln kann.

Medizin

Mit einem Röntgenlaser kann man viel schärfere und genauere Röntgenbilder erzeugen. Damit kann man Tumore oder sonstiges frühzeitig erkennen und besser dagegen vorgehen. Außerdem sollen die Patienten trotz genaueren Bildern einer geringen Strahlungsbelastung ausgesetzt sein.

Militärische Zwecke

Die US-Army möchte FELs vor allem in der Flugabwehr einsetzen, dadurch wurde die Forschung von FELs stark vorangetrieben. Außerdem soll es bald möglich sein Multi-Megawatt-FEL-Waffen zu bauen. Heute werden auch schon Laser für militärische Zwecke eingesetzt. FELs könnten ein baldiges Upgrade für diese Technologien sein.

Fazit

Meiner Meinung nach haben FELs ein großes Potential. Sie können uns nicht nur helfen unsere Welt besser zu verstehen. Sie können auch unser Leben massiv verbessern. Es könnte, durch eine bessere Materialforschung effizienter gestaltet werden. Dazu könnte die durchschnittliche Lebenserwartung durch eine erhebliche Verbesserung in der Medizin erhöht werden.

Leider werden viele Technologien auch für den militärischen Zweck verwendet, wie auch diese. Andererseits hat diese Verwendung auch seine Vorteile. Dadurch wird meistens die Forschung massiv vorangetrieben und man Technologien früher im Alltag einsetzten. Jedoch ist es kein guter Zweck, moderne Technologie für Gewalt einzusetzen.