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Home - Nachrichten - 2010 - Fiat lux

Feature, 22. Dezember 2010

Fiat lux

Der European XFEL wird die längsten Undulatorsysteme der Welt besitzen – magnetische Strukturen, in denen Elektronen zur Aussendung extreme heller Röntgenlaserblitze gebracht werden. Nach der Anfertigung durch Industriepartner wird die magnetische Feinjustierung beginnen. Joachim Pflügers Gruppe bereitet sich auf diesen Einsatz vor.

Als wäre ein Undulatorsegment nicht schon beeindruckend genug: acht Tonnen Stahl, fünf Meter Länge, 2,50 Meter Höhe, gefertigt mit Mikrometerpräzision und zusammengesetzt aus Hunderten von sich abwechselnden Magneten aus Neodym-Eisen-Bor. Doch der European XFEL wird nicht nur mit einem dieser Elemente ausgestattet sein, sondern mit 91 Stück. Das ergibt eine Gesamtlänge von knapp einem halben Kilometer und ist Weltrekord: In keiner anderen Anlage kommt so viel Undulatorlänge zum Einsatz. Zum Vergleich: Die Undulatoren von DESYs Spitzenquelle PETRA III kommen gerade auf ein Zehntel dieser Länge.

Undulatortunnel—Der European XFEL wird mit 91 Undulatorsegmenten ausgestattet sein, aufgeteilt auf drei Strahlführungen.
European XFEL Gmbh / Kontor B3 | Zum Vergrößern auf das Bild klicken.

Der Grund dafür liegt nicht in Größenwahn, sondern in den Gesetzen der Physik und dem Ziel, eine Forschungsanlage für den Nutzerbetrieb zu bauen, die extrem helle Röntgenlaserblitze bereitstellt. Um diese Blitze zu produzieren, muss ein Elektronenstrahl von hervorragender Qualität durch extrem lange Undulatorsystem geleitet werden. (Siehe: Im Inneren eines Undulators)

Die Undulatorsegmente werden von Industriepartnern unter Aufsicht der European XFEL GmbH geliefert. Zahlreiche andere Partner sind beteiligt, wenn es um die Konstruktion der Undulatorsysteme geht. Neben vielen anderen Komponenten beinhalten diese Phasenverschieber, Vakuumkammern und magnetische Quadrupole für die Kontrolle der Elektronenpakete. Wie auch an anderen Stellen im European-XFEL-Projekt wurden hier international zusammengestellte Kollaborationen gegründet, um die technischen Ziele zu erreichen.
Hier spielt Joachim Pflüger eine wichtige und integrierende Rolle. Der 58 Jahre alte Physiker ist an der Entwicklung von Undulatoren für Freie-Elektronen-Lasern seit den späten 1990er Jahren beteiligt – kurz bevor der Traum einer einzigartigen Freie-Elektronen-Laser-Anlage des früheren DESY-Chefs Bjørn H. Wiik konkrete Form annahm.

Bis zum April 2009 war Joachim Pflüger Leiter der Undulatorgruppe bei DESY. In dieser Position war er nicht nur verantwortlich für die Undulatoren des European XFEL, sondern auch am PETRA-III-Projekt beteiligt, derzeit die hellste konventionelle Röntgenlichtquelle der Welt. Sein Ziel war es, Synergien zu nutzen, die aus den beiden Projekten entstehen können. „Von Anfang an planten wir, dieselbe Technologie für die Undulatoren bei PETRA III und dem European XFEL zu nutzen. Abgesehen von kleinen Details sind die Bauteile identisch. Das ist eine Situation mit Gewinn für beide Seiten, wahre Synergie“, sagt Pflüger.

Undulator—Dieser Undulator für PETRA III zeigt, wie die Undulatoren für den European XFEL aussehen werden.
Joachim Pflüger, European XFEL GmbH | Zum Vergrößern auf das Bild klicken.

Pflüger ist einer der Angestellten beim Projekt, die bei DESY kündigten, um von der European XFEL GmbH angestellt zu werden. Denn DESY und die European XFEL GmbH sind getrennte Organisationen, wenn auch DESY mit einem Anteil von über 50 Prozent der größte Gesellschafter der GmbH ist.

In dieser Autonomie liegt auch begründet, dass einige legale Aspekte gelöst werden müssen. So nutzen die Undulatoren geistiges Eigentum von DESY. Daher mussten Regelungen gefunden werden, die der European XFEL GmbH erlauben, diese zu verwenden. Hierfür gibt ein allgemeines Abkommen. „Aber es wurde nicht festgelegt, dass dies ein papierloser Prozess ist“, fügt Pflüger grinsend hinzu.

Derzeit besteht sein Team aus elf Personen und einem Gastwissenschaftler, aber die Gruppe wächst beständig. Eines ihrer Hauptaufgaben ist die Überwachung der Produktion der Komponenten, die von Industriepartnern hergestellt werden. Nach der Lieferung muss eine magnetische Feinjustierung vorgenommen werden. „Wir haben da ausgeklügelte Verfahren entwickelt. Meine Leute müssen darin nun Experten werden“, sagt Pflüger.

Undulatorgruppe—Gruppenleiter Joachim Pflüger ist die lange Person im Hintergrund.
European XFEL GmbH | Zum Vergrößern auf das Bild klicken.

Bis kürzlich war Pflügers Gruppe mit dem Design des so genannten Vorserienprototypen beschäftigt: „Der Ort eines jeden Loches, einer jeden Schraube muss hier festgelegt sein. Wenn man 91 Undulatoren bauen will, sollte man zweimal nachdenken, bevor man irgendetwas optimiert. Veränderungen, die nicht ausreichend getestet sind und sich als falsch erweisen, können teuer zu stehen kommen.“

Das bedeutet nicht, dass es keine Ideen für Verbesserungen gibt. Die XFEL-Theoriegruppe bei DESY hat bereits einen ganzen Strauß von Ausbaumöglichkeiten erstellt – teilweise kleine Veränderungen, teilweise große Erweiterungen. Aber vorerst werden diese Ideen nur für zukünftige Ausbaupläne genutzt. „Die Systeme müssen sehr genau und verlässlich sein. Sie müssen nicht nur funktionieren, sie müssen 15 Jahre lang funktionieren. Da muss man ein großes Schiff über viele Jahre steuern und Kurs halten.“ Kapitän Pflüger macht den überzeugenden Eindruck, die richtige Person für diesen Job zu sein.

Autor: Dirk Rathje

Im Inneren eines Undulators

Das magnetische Feld in einem Undulator veranlasst Elektronen zu einem Slalomlauf. Elektrische Ladungen, die auf diese Weise beschleunigt werden, senden elektromagnetische Strahlung aus – analog zu einer Radioantenne, in der Radiowellen, eine spezielle Art von Synchrotronstrahlung, erzeugt werden. Weil Elektronen in einem Undulator mit fast Lichtgeschwindigkeit unterwegs sind, muss zudem Einsteins Relativitätstheorie berücksichtig werden. Das Ergebnis: Die Wellenlänge verkürzt sich und die ausgesandte Strahlung ist stark in Bewegungsrichtung der Elektronen fokussiert. Experten sprechen in diesem Fall von Synchrotronstrahlung.

In einem Freie-Elektronen-Laser wie dem European XFEL sind die Dinge noch ausgeklügelter. Hier tritt das ausgesandte Licht mit den Elektronen selbst in Wechselwirkung. Es verlangsamt einige und beschleunigt andere. Dies führt dazu, dass sich die Elektronenpakete in kleine Mikropakete organisieren, die genau eine Wellenlänge der ausgesandten Strahlung Abstand haben. Ein so strukturierter Strahl sendet nun hochintensive Synchrotronstrahlung aus, die viele Größenordnungen intensiver ist als die von Quellen wie PETRA III. Der zugrundeliegende Prozess heißt SASE (Self-Amplified Stimulated-Emission, selbstverstärkende stimulierte Emission).