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entdeckt_01_2013

TITEL// Das Forschungsmagazin aus dem HZDR WWW.Hzdr.DE 10 11 Kontakt _Institut für Strahlenphysik im HZDR Axel Jochmann a.jochmann@hzdr.de aufgebaute Vakuumkammer war als Prototyp gedacht und sollte zunächst die Machbarkeit des Projekts zeigen – was die Nachwuchsforscher erfolgreich getan haben. Inzwischen sind sie in einen eigenen Experimentierraum – ein „Cave“ – im neuen ELBE-Teil umgezogen. Und ihre Ausstattung haben sie um eine zweite, verbesserte Experimentierkammer erweitert. Röntgenlicht entsteht unter anderem, wenn Elektronen beschleunigt und abgebremst werden; dabei geben sie einen kleinen Teil ihrer Energie als Photonen, also Lichtteilchen, ab. Moderne Lichtquellen wiederholen diesen Vorgang systema- tisch, indem sie die Elektronen in regelmäßige Schwingungen versetzen. Dafür werden sie durch spezielle Magnetanordnun- gen gelenkt. Anstelle dieser sogenannten Undulatoren kann man Elektronen „optisch“ mit kurzen, intensiven Lichtpulsen, wie von den Lasern DRACO oder PENELOPE am HZDR, zum Schwingen bringen. Die kleine Wellenlänge der Laserpulse bestimmt die Bewegung der Elektronen und diese wiederum die Wellenlänge des Röntgenlichts, welches die Elektronen bei jeder Änderung ihrer Richtung aussenden. Sie liegt bei etwa 800 Nanometern, verkürzt sich aber durch relativistische Ef- fekte weiter bis auf 0,1 Nanometer. Da das dem Abstand von Atomen in einem Molekül entspricht, können Forscher damit die Struktur von Materie auf atomarer Ebene untersuchen. Durch die extrem kurze Dauer der Lichtpulse, die gleicherma- ßen auf die Röntgenphotonen übertragen wird – sie befindet sich im Bereich zwischen einer Pikosekunde und einhundert Femtosekunden, dem jeweils Billionstel bzw. Billiardstel Teil einer Sekunde –, werden schnelle Prozesse erfassbar. Wie Synchrotronlicht „Das Röntgenlicht, das wir erzeugen, hat ähnliche Eigenschaf- ten wie das Licht moderner Synchrotronquellen“, sagt Thomas Cowan, Direktor am Institut für Strahlenphysik. Weil sich die Wechselwirkungen zwischen Photonen und Elektronen auf viel kleineren Strecken abspielen – eben den Wellenlängen des Lichts – als die mechanisch begrenzten Abstände zwischen den Magneten in einem Undulator, hat die Röntgenquelle PHOENIX (PHOton Electron collider for Narrow bandwidth Intense X-rays) am HZDR deutlich geringere Ausmaße. Auf ei- nem Plan der noch nicht ganz fertigen Experimentierkammer im neuen Cave zeigt Axel Jochmann auf einen winzigen Punkt. Dort sollen der seitlich eintreffende Elektronenstrahl und das durch den Boden zugeführte Laserlicht miteinander kollidie- ren. „Wir reden hier über eine Fläche von wenigen Quadratmi- krometern“, so Jochmann. Die Kammer selbst wird, eingehüllt in einen Mantel aus Aluminium mit zahlreichen aufklappbaren Fenstern, etwa sechs Meter lang und weniger als zwei Meter breit sein. Das ist die Größenordnung der Experimente, in der sich die Laserforscher – sie sprechen von „table-top“, also Versuchsanordnungen auf mehr oder minder großen Labor- tischen – bewegen. Wie präzise die Wissenschaftler arbeiten müssen, ist nahezu unvorstellbar: „Wir müssen beide Forschungsanlagen räumlich auf die Größe des Durchmessers eines Haares und zeitlich auf eine Pikosekunde genau fokussieren“, erklärt Axel Joch- mann. Die Laserpulse und der Strahl, in dem die Elektronen sich ebenfalls in kleinen Bündeln bewegen, sind sehr dicht gepackt. „Sie enthalten jeweils etwa 500 Millionen Elektronen und über eine Trillion Lichtteilchen“, so der Doktorand. „In jedem Puls können wir damit rund 100 Millionen Röntgen- photonen erzeugen. Wenn die neue supraleitende Elektronen- quelle, die eine höhere Elektronendichte erlaubt als bisher, eingesetzt wird“, fügt Jochmann hinzu. Vor-Experimente für Helmholtz-Beamline am Röntgenlaser XFEL Die perfekte Synchronisation von Laser- und Elektronenstrahl am HZDR soll künftig auch genutzt werden, um Experimente an der geplanten Helmholtz-Beamline am europäischen Rönt- genlaser XFEL vorzubereiten, der gegenwärtig am Hamburger Beschleunigerzentrum DESY gebaut wird. An der Beamline sollen dereinst die brillante Röntgenstrahlung eines Freie- Elektronen-Lasers mit dem Licht eines Hochleistungslasers kombiniert werden. „Das erlaubt uns Experimente und wis- senschaftliche Möglichkeiten, die bisher überhaupt noch nicht existieren“, sagt Thomas Cowan, der das internationale Nut- zerkonsortium zum Aufbau der Beamline leitet. So lassen sich bestimmte strukturbiologische oder geophysikalische Vorgän- ge nur untersuchen, indem man sie mit intensivem Laserlicht anregt und unmittelbar danach unter heller Röntgenstrahlung untersucht. Wenn XFEL im Jahr 2015 die ersten Röntgenblitze aussendet, soll auch die Röntgenquelle am HZDR wieder in Betrieb gehen. „Die Experimente am XFEL, also auch an der Helmholtz-Beamline, werden sehr begehrt und teuer sein. Wir wollen sie daher hier bei uns mit unserem Know-how perfekt vorbereiten“, so Thomas Cowan. Derweil hängt Axel Jochmann schon einem anderen Gedanken nach: „Wir haben an unserer Röntgenquelle auch die Mög- lichkeit, den Laserstrahl mit laserbeschleunigten Elektronen zu kombinieren.“ Das allerdings würde tatsächlich ganz neue technische Dimensionen bedeuten, denn auf große Beschleu- nigeranlagen könnte man dann verzichten, und auch von be- triebswirtschaftlicher Seite her ist diese Vision verlockend. Das Spielfeld für Laserforscher wie Axel Jochmann bleibt also groß. PUBLIKATION: A. Jochmann, A. Irman u.a.: "Operation of a picosecond narrow-bandwidth Laser-Thomson-Backscattering X-ray source", in Nuclear Instruments and Methods in Physics, Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms (2013; DOI: 10.1016/j.nimb.2013.01.065)

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