REGAE ist ein gemeinsames Projekt der CFEL-Partner Max-Planck-Gesellschaft, Universität Hamburg und DESY. In der knapp zehn Meter langen Anlage sollen ultrakurze Elektronenpulse von hoher Kohärenz erzeugt werden, um zeitaufgelöste Strukturuntersuchungen an kristallisierten Materialproben zu machen. REGAE soll auch die Möglichkeiten erproben, in-situ Untersuchungen von Flüssigkeiten, Oberflächen und Flüssigphasen in der Nanochemie durchzuführen. Genauso wie Wissenschaftler Lichtteilchen aus Speicherringen oder Freie-Elektronen-Lasern auf ein Material schießen, um aus den Beugungsbildern auf die molekulare Struktur zu schließen, sind diese Experimente auch mit Elektronen möglich. In einer langen gemeinsamen Geschichte der Komplementarität zwischen Röntgen- und Elektronenproben bietet diese neue Anlage die Möglichkeit zur Untersuchung von Systemen, die aufgrund der geringen Eindringtiefe der Elektronen im Vergleich zu Röntgenstrahlen bestens für Nanomaterialien geeignet ist.

Zeitaufgelöste Strukturuntersuchungen

Für die benötigte Zeitauflösung zur Verfolgung von Atombewegungen soll REGAE Elektronenpakete mit einer Dauer von nur etwa 10 Femtosekunden (Milliardstel Millionstel Sekunden) Länge liefern und damit extrem hoch zeitaufgelöste Experimente erlauben. Der Durchmesser der Elektronenpakete beträgt etwa einen halben Millimeter, die Länge allerdings nur etwa ein Fünftel des Durchmessers eines Haares. Treffen die Elektronen auf ein Untersuchungsobjekt, werden sie durch die Molekülstruktur der Probe abgelenkt. Die Ablenkungswinkel, die ein Maß für die Atomabstände in der Probe sind, werden mit Hilfe eines neuartigen CCD-Detektors mit großer Präzision gemessen. Die Experimentiermethode ist vergleichbar mit der eines Transmissions-Elektronenmikroskops.

Projektleiter Dwayne Miller (CFEL) schwärmt: “Mit unseren neuesten Entwicklungen zur Herstellung von intensiven nur Femtosekunden kurzen Elektronenpulsen wird REGAE die direkte Beobachtung der Bewegungen von Atomen auf dieser Zeitskala ermöglichen – das Molekülkino kann jetzt alle Schauspieler, also die Atome, in voller Aktion filmen – sogar die, die sich ganz schnell bewegen!“

REGAE besteht aus einer Elektronenquelle, die ähnlich wie bei FLASH aufgebaut ist, aber mit einer Hochfrequenz von 3 Gigahertz. arbeitet. Die Elektronenpakete, gefüllt mit jeweils etwa tausend-mal weniger Elektronen als bei FLASH, werden auf eine Gesamtenergie von 5 Mega-Elektronenvolt (MeV) beschleunigt und mittels einer besonderen Beschleunigungseinheit komprimiert: Eine so genannte „Buncher Cavity“ beschleunigt die hinteren Teilchen im Paket, während die vorderen abgebremst werden. Der optische Laser, der in der Quelle das Elektronenpaket auslöst, kann gleichzeitig zur Anregung der Probe verwendet werden, um so genannte Pump-Probe-Experimente zu erlauben.