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03.05.2018
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Dritte Lichtquelle des European XFEL erzeugt erstmals Laserlicht

European XFEL hat die dritte Lichtquelle der Röntgenlaseranlage erfolgreich in Betrieb genommen – auf den Tag genau ein Jahr nachdem das erste Röntgenlicht in den European-XFEL-Tunneln erzeugt wurde. Die dritte Undulatorstrecke liefert Röntgenstrahlung für die Experimentierstationen MID (Materials Imaging and Dynamics) und HED (High Energy Density Science), die 2019 den Nutzerbetrieb aufnehmen sollen. Die insgesamt drei Lichtquellen der Anlage, die zum Jahrestag des ersten Lichts am European XFEL erstmals erfolgreich parallel betrieben wurden, werden mindestens sechs Instrumente mit Röntgenlicht versorgen. Jeweils drei der sechs Instrumente können gleichzeitig Röntgenstrahlen für Experimente erhalten.

Der Monitor im Beschleunigerkontrollraum zeigt alle drei Röntgenlaserstrecken des European XFEL im Parallelbetrieb.
„Der Betrieb der dritten Lichtquelle und die parallele Erzeugung von Licht aus allen Quellen sind ein wichtiger Schritt in Richtung unseres Ziels, den Nutzerbetrieb an allen sechs Experimentierstationen aufzunehmen“, erklärte Robert Feidenhans’l, Geschäftsführer von European XFEL. „Ich gratuliere und danke allen, die an diesem bedeutenden Erfolg mitgewirkt haben. Es war eine großartige Leistung, alle drei Lichtquellen innerhalb eines Jahres zur Lichterzeugung zu bringen.“

Um die Röntgenlichtblitze zu produzieren, werden Elektronen zunächst auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, bevor sie durch lange Magnetanordnungen, die Undulatoren, geschickt werden. Die abwechselnden Felder dieser Magnete zwingen die Elektronen auf einen Slalomkurs, auf dem sie in jeder Kurve Licht aussenden. Entlang des Undulators wirkt das erzeugte Licht auf das Elektronenpaket zurück und erzeugt dadurch besonders intensive Strahlung, die sich zu Röntgenlaserblitzen verstärkt. Dieser Prozess wird als „selbstverstärkte spontane Emission“ (engl.: self-amplified spontaneous emission, kurz SASE) bezeichnet.

European XFEL verfügt über drei SASE-Lichtquellen. Die erste, SASE1, wurde Anfang Mai 2017 in Betrieb genommen und liefert intensives Röntgenlicht für die Experimentierstationen SPB/SFX (Single Particles, Clusters, and Biomolecules and Serial Femtosecond Crystallography) und FXE (Femtosecond X-Ray Experiments), die seit September 2017 für wissenschaftliche Experimente zur Verfügung stehen. Die zweite Lichtquelle, SASE3, ist seit Februar 2018 in Betrieb und liefert Licht für die Instrumente SQS (Small Quantum Systems) und SCS (Spectroscopy and Coherent Scattering), an denen der Nutzerbetrieb im November 2018 starten soll. SASE1 und SASE3 können gleichzeitig betrieben werden – die beschleunigten Elektronen/Elektronen aus dem supraleitenden Teilchenbeschleuniger produzieren dann zunächst Röntgenstrahlung in SASE1, bevor sie in SASE3 ein zweites Mal zur Erzeugung von Röntgenlicht mit längerer Wellenlänge verwendet werden.

An der Lichtquelle SASE2 wird das Instrument MID beispielsweise helfen zu verstehen, wie Glas auf atomarer Ebene entsteht, und es ermöglichen, Zellen und Viren mit einer Reihe von bildgebenden Verfahren zu untersuchen. Das Instrument HED erlaubt es, Materie unter extremen Bedingungen, wie sie etwa im Inneren von Exoplaneten herrschen, zu erforschen oder zu erkunden, wie sich Feststoffe in hohen Magnetfeldern verhalten.

Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter von DESY und European XFEL haben im vergangenen Jahr intensiv daran gearbeitet, alle drei Lichtquellen zügig in Betrieb zu nehmen und die Parameter des Röntgenstrahls und der Instrumente kontinuierlich zu verbessern. Seit Ankunft der ersten Nutzer im September 2017 wurde die Anzahl der für Experimente zur Verfügung stehenden Röntgenpulse von 300 auf 3000 pro Sekunde erhöht, was den nächsten Experimenten von August bis Oktober 2018 zugute kommen wird. Bei voller Kapazität soll der European XFEL 27 000 Pulse pro Sekunde produzieren. Teams von DESY und European XFEL arbeiten derzeit daran, diese Wiederholrate in den nächsten Monaten unter Testbedingungen zu erreichen. Auch der Aufbau und die Inbetriebnahme der restlichen vier Instrumente werden dieses Jahr fortgesetzt. Nach Inbetriebnahme der Experimentierstationen MID und HED im Jahr 2019 werden den Nutzern am European XFEL an den drei Lichtquellen insgesamt sechs Instrumente zur Verfügung stehen.