Erstes Laserlicht am XFEL

  • 04. May 2017

Größter Röntgenlaser der Welt erreicht letzten großen Meilenstein vor der Eröffnung.

Der European XFEL in der Metropol­region Hamburg, der größte Röntgen­laser der Welt, hat den letzten großen Meilen­stein vor der offi­ziellen Inbe­triebnahme im September erreicht: Die 3,4 Kilometer lange Anlage, die sich zum größten Teil in unter­irdischen Tunneln erstreckt, hat das erste Röntgen­laserlicht erzeugt. Das Röntgen­licht hatte eine Wellen­länge von 0,8 Nano­metern. Der Laser erzeugte beim First Lasing einen Puls pro Sekunde, später werden es einmal 27000 pro Sekunde sein.

Abb.: Erstes Laserlicht im European XFEL, aufgezeichnet vom Röntgendetektor am Ende des Tunnels. (Bild: DESY)

Abb.: Erstes Laserlicht im European XFEL, aufgezeichnet vom Röntgendetektor am Ende des Tunnels. (Bild: DESY)

European XFEL-Geschäfts­führer Robert Feidenhans’l sagte: „ Auf diesen großen Moment haben unsere Partner und wir viele Jahre lang hin gearbeitet. Der European XFEL hat das erste Röntgen­laserlicht erzeugt. Die Anlage, in der das Know-how und Bauteile aus vielen Ländern der Welt stecken, hat ihren ersten großen Test mit Bravour bestanden. Dies ist auch ein großer Erfolg für wissen­schaftliche Zusammen­arbeit in Europa und darüber hinaus. Wir können nun damit beginnen, die Röntgen­blitze über weltweit einzig­artige Spiegel durch den letzten Tunnel­abschnitt in die Expe­rimentier­halle zu leiten und danach schritt­weise die Expe­rimentier­stationen in Betrieb nehmen. Ich freue mich sehr auf den Start des inter­nationalen Nutzer­betriebs, der für September geplant ist.“

Helmut Dosch, Vor­sitzender des DESY-Direk­toriums, sagte: „Der Euro­päische Röntgen­laser XFEL ist zum Leben erweckt worden. Mit dem ersten Laserlicht, das heute mit dem modernsten und leistungs­stärksten Linear­beschleuniger der Welt erzeugt wurde, beginnt in Europa eine neue Ära der Forschung. Diese weltweit einzig­artige Hightech-Anlage wurde in Rekord­zeit und im gesetzten finan­ziellen Rahmen erbaut. Dies ist ein gran­dioser Erfolg der Wissen­schaft. Der European XFEL wird uns gestochen scharfe Bilder des mole­kularen Aufbaus von neuen Materia­lien und Wirkstoffen und neuartige Live-Aufnahmen von bio­chemischen Reaktionen liefern.“

Das Röntgen­laserlicht des European XFEL ist extrem intensiv und milliarden­fach heller als das von her­kömmlichen Syn­chrotron-Licht­quellen. Die erreich­bare Wellen­länge des Laser­lichts entspricht in etwa der Größe von Atomen; man erreicht daher eine atomare Auf­lösung, mit der sich Bilder und Filme im Nano­kosmos aufnehmen lassen – beispiels­weise von Biomole­külen, die für die Entstehung von Krank­heiten oder die Ent­wicklung von Therapien von Bedeutung sind. Weitere Einsatz­gebiete sind die Unter­suchung von chemischen Prozessen und kata­lytischen Verfahren, mit dem Ziel diese zu verbessern oder umwelt­freundlicher zu machen, Material­forschung oder die Untersuchung von Zuständen, wie sie im Inneren von Planeten herrschen. Erzeugt wurde das European XFEL-Röntgen­licht mit einem Elektronen­strahl aus einem supra­leitendenden Linear­beschleuniger, der Schlüssel­komponente des Röntgen­lasers.

Abb.: Blick in den 2,1 Kilometer langen Beschleunigertunnel des European XFEL mit den gelben supraleitenden Beschleunigermodulen. (Bild: DESY / D. Nölle)

Abb.: Blick in den 2,1 Kilometer langen Beschleunigertunnel des European XFEL mit den gelben supraleitenden Beschleunigermodulen. (Bild: DESY / D. Nölle)

In einem 2,1 Kilometer langen Beschleuniger­tunnel werden Elektronen­pulse zunächst stark beschleunigt und für die spätere Erzeu­gung von Röntgen­licht vorbereitet. Mit annähernd Licht­geschwindig­keit und sehr hoher Energie passierten die sehr inten­siven Elektronen­pulse nun erstmals in einem sich an­schließenden Photonen­tunnel eine 210 Meter lange Strecke zur Röntgen­licht­erzeugung. Hier wirken 17290 Permanent­magnete ab­wechselnder Polung von oben und unten auf Elektronen­strahl ein. Die Magnete dieses Undu­lators bringen die Elektronen­pakete auf einen engen Slalom­kurs, auf dem sie in jeder Kurve extrem kurz­wellige Röntgen­strahlung abgeben, die sich im Verlauf der Strecke lawinen­artig verstärkt. Für das First Lasing wurde das Röntgenlicht kurz vor Erreichen der unter­irdischen Expe­rimentier­halle in Schene­feld im Tunnel aufge­fangen und gemessen.

Der 3,4 Kilometer lange European XFEL ist der größte und leistungs­fähigste von fünf Röntgen­lasern weltweit, die kurz­welliges, hartes Röntgen­licht erzeugen können. Bis zu 27000 Licht­blitze statt wie bisher maximal 120 pro Sekunde, eine extrem hohe Spitzen­leucht­stärke und der gleich­zeitige Betrieb an mehreren Expe­rimentier­stationen werden es Wissen­schaftlern ermöglichen, auch sehr kleine Proben­mengen zu unter­suchen und die Experimente schneller durch­zuführen. So sparen sie unter anderem wertvolle Strahl­zeit, die an Röntgen­lasern wegen der weltweit begrenz­ten Kapa­zitäten so stark nachge­fragt wird, dass diese in der Regel mehrfach über­bucht sind. Anfang September soll der Röntgen­laser offiziell eröffnet werden. An­schließend sollen externe Nutzer an den beiden ersten von zunächst sechs Expe­rimentier­stationen die ersten Experi­mente durch­führen können.

XFEL / DESY / JOL

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