European XFEL: Am Hamburgischen Röntgenlaser wird es kalt
Der European XFEL wird nach einer längeren Pause wieder für den wissenschaftlichen Betrieb vorbereitet. Wir waren vorher noch einmal dort.
Blick in den Tunnel des XFEL in Hamburg
(Bild: Werner Pluta / heisen medien)
Die Aussichten für Hamburg-Bahrenfeld: frostig bis in den April – sehr frostig, nämlich bis 2 Kelvin oder minus 271 Grad Celsius. Auf diese Temperatur wird dieser Tage die Beschleunigersektion des European XFEL heruntergekühlt, damit im Frühjahr an der Anlage wieder der wissenschaftliche Betrieb beginnen kann.
Der ruht seit dem Sommer: Am 21. Juni sei begonnen worden, die Anlage aufzuwärmen, sagt Winfried Decking, Leiter des Beschleuniger-Teams am European XFEL. Seither wurde ein neuer Elektroneninjektor eingebaut, viele Standardwartungsarbeiten durchgeführt, für die sonst keine Zeit bleibt, und ein zweites Kühlsystem eingebaut.
Nun wird die Beschleunigersektion des XFEL wieder auf 2 Kelvin heruntergekühlt. In dieser Zeit dürfe aus Sicherheitsgründen niemand in den Tunnel – falls im Kühlsystem ein Schaden auftrete, erläutert Decking. Im Betrieb ist der Tunnel wegen möglicher Strahlenbelastung ohnehin gesperrt. Letzte Chance also, noch einmal mehrere Stockwerke in die Tiefe unter Hamburg zu fahren und einen Blick auf den stärksten Röntgenlaser der Welt zu werfen.
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Besuch am European XFEL in Hamburg
European XFEL
)Eine groĂźe Anlage fĂĽr den Blicke ins ganz Kleine
Der European XFEL – die Abkürzung steht für X-Ray Free-Electron Laser (Röntgen-Freie-Elektronen-Laser) – erzeugt Röntgenblitze aus einem Elektronenstrahl im Femtosekundenbereich. Um bis auf die kleinste, die molekulare und atomare Ebene hinabzusteigen, bedarf es einer riesigen Anlage.
Der European XFEL liegt im Boden unter Hamburg und der Nachbargemeinde Schenefeld. Er ist knapp dreieinhalb Kilometer lang, sein verzweigtes Tunnelsystem ist zusammen fast 6 Kilometer lang. Hier experimentieren Forscher der unterschiedlichsten Disziplinen: Physik, Astrophysik, Chemie oder Materialwissenschaften ebenso wie Biologie, Medizin oder Pharmazie. An dem 1,5 Milliarden Euro teuren Projekt sind zwölf Nationen beteiligt. Die Anlage ist seit 2017 in Betrieb. Seither ist es die erste längere Wartungsperiode, sonst steht der XFEL drei bis vier Wochen still.
Der Anfang des XFEL ist in Hamburg auf dem Gelände des Deutschen Elektronen Synchrotrons (DESY), das dieser Tage den 66. Geburtstag feiert. Hier steht der Injektor, auch Gun genannt, und der 1,7 Kilometer lange Linearbeschleuniger, jener Teil, der jetzt heruntergekühlt wird. In der Gun wird ein etwa Cent-großes Kupferstück mit einem Laser beschossen. Dadurch wird etwa eine Milliarde Elektronen aus dem Kupfer herausgelöst, die sich dann als geordnetes Paket auf die Reise gen Schenefeld machen sollen.
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Elektronen reisen mit fast Lichtgeschwindigkeit
Allerdings: Elektronen sind negativ geladen. Das bedeutet, sie stoßen sich ab. „Da hätte man nicht so viel gewonnen“, sagt Decking. „Der Trick von so einer Quelle ist, Elektronen erzeugen und dann sie ganz schnell auf Lichtgeschwindigkeit bringen.“ Das passiere in einer wenige Zentimeter großen Kavität. Diese verlässt ein etwa zwei Zentimeter großes Bündel Elektronen mit fast Lichtgeschwindigkeit, genau genommen mit 99,99999996 Prozent Lichtgeschwindigkeit.
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Dann werden die Pakete von etwa zwei Zentimetern auf 20 Mikrometer komprimiert. Das erledigen Quadrupolmagnete, Magnete mit vier Polen, die wie Fokussierungslinsen die Strahlgröße manipulieren.
Von dort geht es durch den Linearbeschleuniger, eine Anordnung von Hohlraumresonatoren, groĂźen gelben, 80 Zentimeter Objekten. Im Innern verbergen sich Strukturen aus Niob, in denen die Elektronenpakete konzentriert werden. Niob wird bei zwei Kelvin supraleitend, deshalb das HeliumkĂĽhlsystem. Die Helium-gekĂĽhlten Resonatoren beschleunigen die Elektronenpakete auf den folgenden 1,7 Kilometern bis zu 17,5 Gigaelektronenvolt.
„Wir könnten in einem warmen Beschleuniger etwa 100 Elektronenpakete pro Sekunde beschleunigen. In einem kalten Beschleuniger können wir im Moment etwa 27.000 Elektronenpulse pro Sekunde beschleunigen“, erläutert XFEL-Chef Thomas Feurer.
Elektronen emittieren Photonen
Kurz bevor sie die Hamburger Stadtgrenze erreichen, wird damit begonnen, die Elektronenpakete auf mehrere Tunnel aufzuteilen. Jeder Tunnel führt in die Experimentierhalle in Schenefeld, wo die wissenschaftlichen Experimente stattfinden. Insgesamt gibt es fünf Tunnel, von denen aktuell drei genutzt werden. An jedem der drei Tunnel hängen zwei Experimente, also insgesamt sechs, drei davon können parallel mit Elektronenpaketen versorgt werden.
Damit die aufgeteilten Pakete für die wissenschaftlichen Experimente genutzt werden können, müssen sie transformiert werden: Aus Elektronen werden Photonen, also Lichtteilchen. Dafür werden die Elektronenpakete durch Undulatoren geleitet. Das sind 200 Meter lange Strukturen aus Permanentmagneten, die abwechselnd polarisiert hintereinander angeordnet sind. Die Magnete zwingen die Elektronenpakete in eine Schlangenlinie.
Elektronen emittieren Röntgenblitze
Jedes Mal, wenn ein Elektron die Richtung ändert, emittiert es einen Röntgenblitz mit Lasereigenschaften. Was also an den Experimenten ankommt, sind Abfolgen von Röntgenblitzen – sehr vielen und sehr kurzen: 27.000 Pulse pro Sekunde, jeder Puls dauert wenige Femtosekunden.
Die Undulatoren ermöglichen es, verschiedene Wellenlängen zu erzeugen. Die Wellenlänge hängt dabei von der Stärke des Magnetfelds im Undulator ab. Das Feld wird durch den Abstand von zwei Magneten verändert. Die Elektronen werden in Absorber geleitet und geben dort ihre Energie in Form von Wärme abgeben.
In den Experimenträumen, Hütten genannt, beschießen die Forscher ihre Proben mit diesen hochenergetischen und ultrakurzen Röntgenpulsen. Wenn der Röntgenpuls auf die Probe trifft, wird er gestreut. Es entsteht ein Beugungsmuster, das ein Detektor auffängt. Aus diesen Mustern lässt sich ein Bild errechnen, etwa die Struktur eines Moleküls.
Die Probe hält zwar dem Röntgenblitz nicht standhalten und wird zerstört. Doch da die Blitze so kurz sind, wird eine Aufnahme erzeugt, bevor deren Atome auseinanderfliegen. Die nächsten Röntgenblitze – sie folgen im Abstand 220 Nanosekunden aufeinander – erzeugen weitere Muster, sodass es möglich ist, einen Film von einer chemischen Reaktion aufzunehmen und diese in Echtzeit zu verfolgen.
Dabei entstehen Unmengen an Daten: Ein Detektor muss ja bis zu 27.000 Bilder in der Sekunde auswerten. Da bleibt nicht genug Zeit, um Daten zu speichern. Jedes Pixel eines Detektors verfügt deshalb über einen Zwischenspeicher in Form von Kondensatoren. Insgesamt werden an der Anlage, die mit Ausnahme der normalerweise kurzen Wartungszeiten das ganze Jahr rund um die Uhr läuft, über 30 Petabyte pro Jahr erzeugt.
Der European XFEL ist letztlich ein superempfindliches Mikroskop und eine superempfindliche und -schnelle Kamera in einem. Hier forschen die unterschiedlichsten Disziplinen: Astronomen können hier etwa die Vorgänge im Inneren von Planeten oder in Zukunft auch im Inneren von Sternen simulieren. Biowissenschaftler untersuchen die Struktur von Molekülen oder Proteinen. Während der Corona-Pandemie wurde am XFEL Untersuchung zu zwei Proteinen durchgeführt, die wichtig sind für die Vermehrung des Virus.
Forschung fĂĽr die Fusion
Am XFEL wird auch Forschung für die Kernfusion betrieben. So wurde etwa bei der Laserträgheitsfusion festgestellt, dass weniger als zehn Prozent des Brennstoffs verbrannten. Am XFEL wird untersucht, wie sich das künftig ändern kann. Auch die Industrie profitiert von der Arbeit am XFEL. Die Automobilbranche etwa: Die Vorgänge in Katalysatoren sind bis heute nicht vollständig verstanden. Mit dem Röntgenlaser ist es möglich, molekulare Filme der Katalyse zu erstellen.
Aus der Forschung am XFEL sind schon eine Reihe von wissenschaftlichen Publikationen hervorgegangen – über 1500, sagt Feurer. Eine weitere ist in Vorbereitung und wird voraussichtlich im Frühjahr erscheinen.
Auch an einem Nobelpreis war die Anlage schon beteiligt: Das Team von Omar Yaghi hat hier Experimente durchgefĂĽhrt. Yaghi hat fĂĽr seine Arbeit bei der Entwicklung metallorganischer GerĂĽste mit zwei anderen Forschern zusammen den Chemienobelpreis in diesem Jahr erhalten.
(wpl)
