XFELO: Neues Lasersystem am European XFEL erzeugt superscharfes Röntgenlicht
Hamburger Forscher haben ein System entwickelt, mit dem am European X-Ray Free-Electron Laser bessere Röntgenpulse erzeugt werden. Es winken neue Erkenntnisse.
Eine der beiden XFELO-Spiegelkammern in einem Tunnel des European XFEL in Hamburg
(Bild: European XFEL)
Der European XFEL in Hamburg zählt zu den weltweit leistungsfähigsten Röntgenlasern. Ein neues System namens XFELO ermöglicht, Röntgenblitze mit Photonen sehr exakt definierter Energie zu erzeugen. Damit sollen in Zukunft noch präzisere Experimente möglich sein, teilt die Forschungseinrichtung mit.
XFELO steht für: X-Ray Free Electron Laser Oscillator. Dieser erzeugt Röntgenlicht mit einheitlichen Wellenlänge, vergleichbar einem Laser. Solch kohärente Strahlung war im harten Röntgenspektrum in dieser Qualität bisher nicht möglich. Die Gruppe, bestehend aus Forschern des European XFEL (X-Ray Free-Electron Laser, Röntgen-Freie-Elektronen-Laser), dem Deutschen Elektronen Synchrotron (Desy) und der Universität Hamburg, stellt den XFELO in der Fachzeitschrift Nature vor.
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Der XFEL erzeugt aus einem Elektronenstrahl Röntgenblitze im Femtosekundenbereich: Pakete aus rund 100 Milliarden Elektronen werden von einem Linearbeschleuniger auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und komprimiert. In Undulatoren werden die Röntgenpulse erzeugt. Das sind 200 Meter lange Strukturen aus Permanentmagneten, die abwechselnd polarisiert hintereinander angeordnet sind.
Elektronenpakete auf Slalomkurs
Die Magnete zwingen die Elektronenpakete in eine Schlangenlinie. Bei jeder Richtungsänderung geben die Elektronen Röntgenblitze mit Lasereigenschaften, ab bis zu 27.000 pro Sekunde.
Die so erzeugten Röntgenblitze sind bereits von hoher Qualität. Dennoch haben sie eine gewisse Energieunschärfe. Das ändert das XFELO-System: Es helfe, „die Energieunschärfe extrem zu reduzieren und damit Röntgenlicht mit Photonen sehr exakt definierter Energie zu erzeugen“, erläutern die Forscher.
(Bild: European XFEL)
Im XFELO wird das Röntgenlicht durch einen rund 66 Meter langen Resonator geschickt. Er besteht aus zwei Spiegeln aus hochreinen Diamantkristallen sowie einer Reihe von Undulatoren dazwischen. Wie bisher zwingen die Undulatoren die Elektronenpakete auf einen Slalomkurs, auf dem diese Röntgenblitze abgeben. Der wird von einem der Diamantspiegel reflektiert und trifft dann auf das nächste Elektronenpaket, mit dem er in Wechselwirkung tritt. Nach mehreren Umläufen entsteht ein Röntgenblitz mit einer einheitlichen Wellenlänge.
Weniger Rauschen
„Mit jeder Umrundung wird das Rauschen im Röntgenpuls geringer und das konzentrierte Licht schärfer“, beschreibt Patrick Rauer vom Desy. „Es wird stabiler, und man beginnt, diese einzelne, klare Frequenz zu sehen – diesen Peak.“ Diese Spitze bezeichnet den einzelnen Puls des Röntgenlichts mit sehr scharfer Abgrenzung.
Das sehr scharfe Röntgenlicht werde noch präzisere Experimente in Physik, Materialwissenschaften, Chemie oder Biologie ermöglichen. „Forschende können damit künftig Strukturen und Prozesse untersuchen, die zuvor kaum messbar waren“, sagt XFEL-Chef Thomas Feurer.
Zu den großen Schwierigkeiten beim Bau des Systems gehörte die exakte Ausrichtung der Kristalle sowie die Synchronisation der Umläufe des Röntgenlichtpulses mit den Elektronenpaketen. Die Stabilität des 1,7 Kilometer langen Beschleunigers in Bezug auf Energie, Zeit – im Bereich von Femtosekunden – und Position – bis auf Mikrometer genau – über mehrere Tage hinweg sei für den Erfolg entscheidend gewesen, sagt Rauer. „Es hat Jahre gedauert, den Beschleuniger in diesen Zustand zu bringen, der unter den Beschleunigern mit hoher Wiederholungsrate einzigartig ist.“
Röntgenpulse mit sehr schmaler Bandbreite
Die Idee, einen Resonator am European XFEL einzusetzen, stammt von Jörg Rossbach, einem Physiker der Universität Hamburg. Sie umzusetzen, hat sich jedoch als schwierig erwiesen. Die Grundlage dafür hat Rauer in seiner Doktorarbeit gelegt. Zusammen mit dem Beschleunigerteam des Desy und dem Instrumentierungsteam am European XFEL gelang es, die Resonatorkonfiguration zu entwerfen.
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„Unser Erfolg zeigt, dass die Nutzung eines Resonators zur Verstärkung eines Röntgenlasers praktisch umsetzbar ist“, sagt Harald Sinn, Leiter der Abteilung Instrumentierung am European XFEL. „Im Vergleich zu bisherigen Methoden liefert es Röntgenpulse mit einer sehr schmalen Bandbreite sowie deutlich höherer Stabilität und Kohärenz.“
Als Nächstes will das Team daran arbeiten, das Röntgenlicht weiter zu verstärken, die Stabilität über längere Betriebszeiten zu sichern sowie die Technik anderen Forschern bereitzustellen.
(wpl)
