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entdeckt_01_2013

TITEL// Das Forschungsmagazin aus dem HZDR WWW.Hzdr.DE 12 13 verfügbaren Spektralbereich der Terahertz-Strahlung um gleich eine ganze Größenordnung und soll die Experimentier- möglichkeiten für Forscher aus dem HZDR und aus aller Welt wesentlich erweitern. Warum Terahertz-Strahlung so begehrt ist? Mit Wellenlängen zwischen 0,03 und drei Millimetern ist dieses Licht beson- ders gut geeignet, um Reaktionen in Materie anzustoßen bzw. zu untersuchen. Aber auch Forscher aus den Lebens- wissenschaften träumen davon, Terahertz-Strahlung zur Untersuchung wichtiger Vorgänge in Organismen einzusetzen, etwa um die Nervenleitung oder die Verarbeitung von Reizen zu erforschen. Beschleunigerexperten schließlich wollen Terahertz-Anlagen dafür nutzen, die zeitliche Struktur von Elektronenpulsen auszumessen. Entsprechend soll die neue Anlage im HZDR als präzises Diagnoselabor für die Elektronen aus dem ELBE-Beschleuniger dienen, wird dieser doch bald höher geladene und kürzere Elektronenpulse als bisher liefern. Elektronenpakete dieser Güte bilden zugleich die Basis dafür, dass eine superradiante Terahertz-Quelle an einem so kleinen Elektronenbeschleuni- ger wie der ELBE überhaupt möglich ist. Superradianz bedeu- tet vereinfacht ausgedrückt, dass äußerst intensives Licht in einem lawinenartig kurzen Prozess entsteht, ohne dass dabei – wie etwa bei einem Freie-Elektronen-Laser – Spiegel als Resonatoren benötigt werden. Vorausgesetzt, die Beschleuni- gerphysiker erreichen die vorgesehenen Parameter, dann wird TELBE zukünftig das ganze Spektrum bis tief in den sogenann- ten Gigahertz-Bereich bis zu 0,1 Terahertz beziehungsweise drei Millimetern Wellenlänge mit noch intensiveren Pulsen abdecken. Im Erfolgsfall soll TELBE zum internationalen Nut- zergerät für Forscher aus den Material- und Lebenswissen- schaften werden. Hier kommt ein weiterer Vorzug von TELBE ins Spiel; sie ist für den Dauerbetrieb konzipiert. „Mit dieser Anlage ist nämlich anders als in allen anderen vergleichbaren Geräten ein Dauerstrich-Betrieb möglich“, erklärt der Physiker Michael Gensch. „Andere Geräte müssen nach einer kleinen Serie superkurzer Blitze eine Pause von ein paar tausendstel Sekunden einlegen. Unser supraleitender Elektronenbeschleu- niger aber macht diese Unterbrechungen überflüssig und wir können Dauerstrich-Betrieb fahren.“ Erfolgreiche Inbetriebnahme Die erste Strahlzeit absolvierte Michael Genschs Maschine im März 2013 mit Bravour. Physikerkollegen vom DESY waren ei- gens dafür aus Hamburg angereist, wo sich einer der weltwei- ten „Konkurrenten“ von TELBE befindet: Die Terahertz-Quelle am Freie-Elektronen-Laser FLASH. Diese Pilotanlage sieht Gensch als Vorbild für TELBE, allerdings soll seine Strahlungs- quelle – und genau da liegt auch die große Herausforderung – von Elektronen aus einem viel kleineren Beschleuniger auf einer sehr kurzen Strecke angetrieben werden. Doch ob- wohl sich die Dimensionen des Dresdner Projekts ebenso in anderen Größenordnungen bewegen wie die Kosten, mithal- ten können mit der internationalen Beschleunigergemeinde will man dennoch. „Wir arbeiten im Helmholtz-Programm Beschleunigerforschung und -entwicklung mit den großen Playern DESY und KIT, dem Karlsruher Institut für Technologie, zusammen. Wichtig für uns ist zudem die enge Kooperation mit internationalen Partnern von den beiden großen Nationa- len Beschleuniger-Laboren in den USA, also dem SLAC und dem Jefferson Lab. Nicht zuletzt verfolgen wir gemeinsam mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) das Ziel, Methoden zu entwickeln, die es erlauben, die Energie unserer Terahertz-Blitze auf das Genaueste bestimmen zu können. Das ist nämlich in diesem Spektralbereich eine bisher unge- löste Aufgabe.“ Der nächste wichtige Schritt auf dem Weg zu einer der namhaften Lichtquellen der Zukunft besteht für Gensch und seine HZDR-Kollegen darin, die Elektronenpulse von ELBE zu verkürzen und zu intensivieren, und das gleich um mehr als eine Größenordnung! So wollen sie TELBE mit Unterstützung von Partnern und Pilotnutzern nach und nach weiter in Betrieb nehmen und testen. „Wir stehen am Anfang einer langen Entwicklungsphase und bewegen uns an der Grenze des tech- nologisch Machbaren. Unsere Hoffnung ist es, im Jahr 2015 entscheiden zu können, ob TELBE tatsächlich als reguläre Experimentieranlage einsatzfähig ist“, erklärt Gensch. Und fügt hinzu: „In jedem Fall aber handelt es sich um eine welt- weit einzigartige Anlage, um Elektronenpakete zu studieren und Konzepte für den Betrieb großer Forschungsanlagen wie den European XFEL in Hamburg zu entwickeln.“ PUBLIKATIONEN: F. Tavella, N. Stojanovic, G. Geloni, M. Gensch: “Few fem- tosecond timing at 4th generation X-ray lightsources”, in Nature Photonics, Bd. 5 (2011), S. 162 (DOI: 10.1038/ NPHOTON.2010.311) M. Foerst u.a.: “THz control in correlated electron solids: sources and applications”, in K.-E. Peiponen u.a. (Hrsg.), Tera- hertz Spectroscopy and Imaging, Bd. 1, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012 (DOI: 10.1007/978-3-642-29564-5_23) TERAHERTZ: Die neue Anlage sendet Strahlung über einen großen Wellenlängen-Bereich aus und vergrößert das in der ELBE verfügbare, elektromagnetische Spektrum. Foto: Frank Bierstedt Kontakt _Institut für Strahlenphysik & Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung im HZDR Dr. Michael Gensch m.gensch@hzdr.de

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