Serie „XFEL leicht erklärt“ : Eine Blitzmaschine unter der Erde

Bei XFEL wird an hochkomplexen Instrumenten hantiert – wie dem LPD-Detektor. Der LPD-Detektor (Large Pixel Detector) ist eine Röntgenkamera, die von European XFEL und dem Rutherford Appleton Laboratory in der Nähe von Oxford in Großbritannien entwickelt wurde.

Bei XFEL wird an hochkomplexen Instrumenten hantiert – wie dem LPD-Detektor. Der LPD-Detektor (Large Pixel Detector) ist eine Röntgenkamera, die von European XFEL und dem Rutherford Appleton Laboratory in der Nähe von Oxford in Großbritannien entwickelt wurde.

So funktioniert der Super-Laser: Von schwingenden Mikrowellen, negativ geladenen Teilchen und sehr hellem Licht.

shz.de von
15. August 2018, 12:30 Uhr

Schenefeld | Im beschaulichen Schenefeld steht der stärkste Röntgenlaser der Welt: Hinter dem Namen European XFEL steckt eine Forschungsanlage der Superlative. Erzeugt werden ultrakurze Laserlichtblitze im Röntgenbereich – 27 000-mal in der Sekunde und mit einer Leuchtstärke, die milliardenfach höher ist als die der besten Röntgenstrahlungsquellen herkömmlicher Art. Wie verhalten sich Moleküle und Atome? Wer hat je so genau in den Nanokosmos geschaut? European XFEL soll solche Blicke ermöglichen. In einem Thema der Woche widmet sich unsere Zeitung der Forschungseinrichtung – und wagt sich an eine hochkomplexe Materie.

 

Kleiner, schneller, intensiver: Der European XFEL – so heißt der Laser – soll neue Forschungsfelder erschließen. „Mit den erzeugten Röntgenblitzen lassen sich atomare Details von Viren und Zellen entschlüsseln, dreidimensionale Aufnahmen wie im Nanokosmos machen, chemische Reaktionen filmen – und sogar Vorgänge wie die im Inneren von Planeten untersuchen“, führt XFEL-Pressesprecher Bernd Ebeling aus.

Vereinfacht gesagt liegt zwischen 6 und 36 Meter unter Hamburg und Schleswig-Holstein nun die beste Kamera der Welt. Doch wie funktioniert das eigentlich genau? Zu Beginn steht ein 1,7 Kilometer langer sogenannter Teilchenbeschleuniger: Hier werden Elektronen – negativ geladene Elementarteilchen – auf hohe Energien und nahezu Lichtgeschwindigkeit gebracht. Diese Beschleunigung erfolgt in besonders geformten Hohlräumen, den so genannten Resonatoren. Dort schwingen Mikrowellen, deren Energie auf die Elektronen übertragen wird. Um die Röntgenblitze zu erzeugen, werden Elektronen zunächst in Paketen auf hohe Energien gebracht.

Links  ist ein Beugungsbild einer Nanostruktur-Probe, aufgenommen in einem Experiment an der Freie-Elektronen-Laseranlage FLASH am Forschungszentrum Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY mit einem einzigen ultrakurzen, extrem intensiven und kohärenten Laserpuls von 25 Femtosekunden Dauer. Rechts: Dieselbe Probe nach ihrer Zerstörung durch den ersten Laserpuls.
XFEL
Links ist ein Beugungsbild einer Nanostruktur-Probe, aufgenommen in einem Experiment an der Freie-Elektronen-Laseranlage FLASH am Forschungszentrum Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY mit einem einzigen ultrakurzen, extrem intensiven und kohärenten Laserpuls von 25 Femtosekunden Dauer. Rechts: Dieselbe Probe nach ihrer Zerstörung durch den ersten Laserpuls.
 

Die beschleunigten Elektronen rasen anschließend durch spezielle Magnetanordnungen – die nennen sich Undulatoren. So werden die Teilchen auf einen engen Slalomkurs gebracht. Dabei sendet jedes einzelne Elektron Röntgenlicht aus, das sich immer mehr verstärkt – bis schließlich ein extrem kurzer und intensiver Röntgenblitz entsteht.

Die Leuchtstärke (Brillanz) der Blitzmaschine ist in ihren Durchschnittswerten zehntausendfach höher als die der besten herkömmlichen Röntgenquellen, die in der Forschung genutzt werden. Bei XFEL werden eben diese laserlichtartigen Röntgenstrahlen produziert. Die produzierten Blitze sind extrem starke Laserpulse, die in der Experimentierhalle ankommen und auf die Proben treffen – bis zu 1,6  Millionen Mal pro Minute. „Die Kürze der Lichtblitze, ihre Lichtstärke und ihre laserartige Lichtqualität ermöglichen einzigartige 3-D-Bilder und Filme im Nanobereich“, sagt Ebeling

Computersimulation des Beschleunigervorgangs in einem supraleitenden Hohlraumresonator: Elektromagnetische Felder beschleunigen die Elektronen in supraleitenden Resonatoren des TESLA-Typs, die in Zusammenarbeit bei DESY entwickelt wurden und im Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY betrieben werden.
European XFEL

Computersimulation des Beschleunigervorgangs in einem supraleitenden Hohlraumresonator: Elektromagnetische Felder beschleunigen die Elektronen in supraleitenden Resonatoren des TESLA-Typs, die in Zusammenarbeit bei DESY entwickelt wurden und im Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY betrieben werden.

 

Mit einem Elektronenbeschleuniger lassen sich mehrere Undulatoren – das waren langen Strecken mit wechselnden Magnetfeldern – zugleich betreiben, so dass Strahlung mit unterschiedlichen Eigenschaften für verschiedene Messplätze erzeugt werden kann. Für den European XFEL seien zunächst fünf Undulatoren für zehn bis zwölf Messplätze geplant.

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