Mehr Lichtblitze pro Sekunde

Im Haubtbeschleunigertunnel des European XFEL in Schenefeld sind die supraleitenden Module montiert.
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Im Haubtbeschleunigertunnel des European XFEL in Schenefeld sind die supraleitenden Module montiert.

Beim European XFEL in Schenefeld können Experimente schneller als in anderen Ländern ausgeführt werden

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13. Juli 2020, 20:09 Uhr

Forscher aus der ganzen Welt kommen zum Superlaser European XFEL nach Schenefeld. In einem 3,4 Kilometer langen Tunnel werden Experimente mit extrem intensiven Röntgenlaserblitzen durchgeführt. Reporterin Ann-Kathrin Just hat sich vor Ort in die Welt der kleinen Teilchen begeben und Experten befragt. In der Serie „XFEL – Forschung der Zukunft“ stellt sie die aktuellen Entwicklungen an der Forschungseinrichtung vor.

European XFEL ist die größte Röntgenlaseranlage weltweit. Aber auch in anderen Ländern wird an solchen Einrichtungen geforscht. „Wie in den USA, Japan, Südkorea und in der Schweiz“, sagt der Geschäftsführer von XFEL Robert Feidenhans’l. „Die Prinzipien der Anlagen sind ähnlich. Zunächst werden Elektronen auf hohe Energien beschleunigt und dann zur Erzeugung von hochintensiven Röntgenlaserblitzen angeregt.“ Doch die Temperatur während der Durchführung von Experimenten macht einen deutlichen Unterschied aus – und somit auch einen Vorteil.

In der Schweiz bei SwissFEL ist die Energie der Röntgenlaserstrahlung niedriger als in Schenefeld, zudem läuft die Beschleunigung der Elektronen bei Raumtemperatur. „Bei European XFEL hingegen werden die Elektronen in Hohlkörpern aus dem Metall Niob beschleunigt, die zu diesem Zweck mit flüssigem Helium auf eine Temperatur von minus 271 Grad abgekühlt und dadurch supraleitend werden“, erklärt Feidenhans’l. Supraleitend bedeutet, dass ein Experiment völlig ohne elektrischen Widerstand ablaufen kann und somit kein Verlust des Energieflusses vorhanden ist. Ebenso bei Raumtemperatur und mit konventioneller Beschleunigertechnologie wird in Japan beim Röntgenlaser SACLA gearbeitet. Das aber auch schon seit 2011, so der Physiker Feidenhans’l. Die ebenfalls nicht-supraleitende Technologie des PAL-XFEL in Südkorea nahm 2017 fast zeitgleich mit dem European XFEL den Forschungsbetrieb auf.

Seit mittlerweile gut 10 Jahren wird am Röntgenlaser LCLS in den USA geforscht. „Das ist ein großer zeitlicher Vorsprung“, sagt Feidenhans’l. Aktuell wird die Anlage modernisiert und wird dann ebenfalls über supraleitende Beschleunigertechnologie verfügen. „Einerseits sind wir Konkurrenten und andererseits profitieren wir von einander, denn in der Wissenschaft arbeiten wir eng zusammen.“

Ein wichtiger Aspekt ist dabei internationale Zusammenarbeit zwischen den Instituten und den Wissenschaftlern. „Wir möchten unser Wissen kombinieren, um die internationale Wissenschaft voranzubringen und zu bereichern“, sagt der Physiker. Extrem ambitioniert seien die Chinesen, so der Geschäftsführer. 2025 soll an dem ebenfalls mit supraleitendem Beschleuniger geplanten Röntgenlaser der erste Strahl zum Einsatz kommen.

Noch ist European XFEL aber der weltweit einzige Röntgenlaser mit einem supraleitenden Beschleuniger. Dies ermöglicht einen Elektronenstrahl, der aus vielen hintereinander gereihten Elektronenpaketen besteht und von besonders hoher Qualität ist. „Dadurch lassen sich am European XFEL zum einen weit mehr Lichtblitze pro Sekunde erzeugen als an anderen Standorten“, erklärt Feidenhans’l. Bestimmte Experimente sind deswegen nur am European XFEL möglich oder können dort schneller durchgeführt werden.

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