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Home - Nachrichten - 2011 - Röntgenblitze – heiß und kohärent serviert

Feature, 30. Juni 2011

Röntgenblitze – heiß und kohärent serviert

Der Umgang mit den extrem hellen Röntgenblitzen des European XFEL ist kein Kinderspiel. Der Transport des sonnenheißen Lichts vom Entstehungsort zur Experimentierhalle des European XFEL erfordert Komponenten von großer Haltbarkeit und noch nie dagewesener Präzision. Harald Sinns Gruppe “X-ray Optics” stellt sicher, dass hier alles glatt läuft.

Der European XFEL beschleunigt Elektronen auf hohe Energien und bringt sie dann dazu, einem Slalomkurs zu folgen, auf dem die Teilchen extrem helle Röntgenblitze aussenden. Damit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit diesen Blitzen forschen können, muss das Licht danach in eine Experimentierhalle gebracht werden.

Das mag einfach klingen, ist es aber nicht: Kurz nach ihrem Entstehungspunkt sind die Röntgenblitz so intensiv, dass kein Material ihrer Energie widerstehen würde. Optische Komponenten wie Spiegel würden in einem winzigen Augenblick verdampfen. Dies ist einer der Gründe, weshalb rund ein Kilometer lange Tunnel benötigt werden, in denen die Röntgenblitze ein wenig breiter und weniger zerstörerisch werden können.

Zuständig für die Ausstattung dieser Tunnel ist die Röntgenoptikgruppe der European XFEL GmbH. Sie ist verantwortlich für die Zustellung der Röntgenblitze zu den experimentellen Instrumenten – einem Zustelljob mit gewaltigen Herausforderungen.

Mitglieder der Gruppe „X-ray Optics"—Von links nach rechts: Idoia Freijo-Martín, Shafagh Dastjani Farahani, Harald Sinn, Jérôme Gaudin, Martin Dommach, Germano Galasso, Liubov Samoylova und Antje Trapp.
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Die Gruppe wurde 2007 geschaffen, als sich Harald Sinn dem European-XFEL-Projekt anschloss. Seit 2010 leitet er die Gruppe, deren Kern aus drei Physikern, fünf Ingenieuren und einem Techniker besteht. Zudem verstärken ein bis drei Studierende, die an ihren Abschluss- oder Doktorarbeiten sitzen, das Team.
 
Harald Sinn wuchs nahezu mit Strahlführungen (beamlines) auf. Bereits in seiner Diplom- und Doktorarbeit in München und Erlangen befasste er sich mit Synchrotronstrahlung am Hamburger Synchrotronstrahlungslabor HASYLAB und an der europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF in Grenoble. Nach zwei Jahren an der Universität Rostock und nur zwei Wochen nach seiner Hochzeit bekam er das Angebot, für die Advanced Photon Source (APS), eine Synchrotronstrahlungsquelle des Argonne National Laboratory in Chicago, zu arbeiten. Die Sinns zogen in die Vereinigten Staaten, wo Harald Sinn zwei Instrument aufbaute und das Forschungsprogramm über Schwingungen von Atomen und Molekülen in Festkörpern (Phononen-Spektroskopie) leitete. „Nach acht Jahren Schichtbetrieb und einem Rund-um-die-Uhr-Service für Experimente war ich glücklich, von der freien Stelle als Beamline-Wissenschaftler beim European XFEL zu hören. Das war eine willkommene Abwechslung“, erinnert sich Harald Sinn.

Etwas Neues ist der European XFEL tatsächlich. „Aufgrund der hohen Energien und kurzen Längen der Pulse ist alles viel komplexer als an herkömmlichen Strahlungsquellen“, erklärt Harald Sinn. „Dort ist eine Person oder Gruppe für die gesamte Infrastruktur einer Beamline zuständig: den Transport des Lichts zum Instrument, die Messung der Strahleigenschaften und den Aufbau des Instrument selbst. Aufgrund der Komplexität am European XFEL mussten wir die Arbeit über verschiedene Gruppen verteilen.“ Diese Gruppen stehen in engem Kontakt. Um Überraschungen zu vermeiden, veröffentlichte Harald Sinn im Mai einen Bericht über das Design des Strahltransportsystems des European XFEL. Der Bericht wurde von Experten auf der ganzen Welt begutachtet und freigegeben und dient nun als Ausgangspunkt für alle zukünftigen Arbeiten und Entwicklungen. Das Dokument in englischer Sprache steht auf xfel.eu zum Herunterladen bereit.

Harald Sinn (rechts) und Physikstudent Jens Linnemann begutachten einen experimentellen Aufbau im Labor. Dabei handelt es sich um ein Laserinterferometer, mit dem Drehschwingungen gemessen werden können. Diese Schwingungen müssen genau beobachtet werden, weil sie die Leistung der Spiegel beeinträchtigen können.
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Ultraglatte Spiegel

Beim Strahlführungssystem wird Technologie, die über den derzeitigen Stand der Technik hinausgeht, zum Einsatz kommen. Insbesondere für die Spiegel, welche die Röntgenblitze auf die verschiedenen wissenschaftlichen Instrumente verteilen und das Licht von einer noch energiereicheren Hintergrundstrahlung trennen, wird technologisches Neuland betreten. „Was wir machen werden, war vor zwei Jahren noch nicht möglich“, erklärt Harald Sinn, wenn er die mehr 80 Zentimeter langen Spiegel beschreibt, die eine Unebenheit von nur zwei Nanometern haben dürfen.

Diese Präzision gibt es nicht im Baumarkt. Würde man die Spiegel beispielsweise auf eine Länge von 40 000 Kilometern verlängern (was ungefähr einer vollen Reise um die Welt entspräche), ergäbe sich eine Toleranz von gerade einmal zehn Zentimetern. Sie brauchen jede Menge Politur und Zeit, um Spiegel von solcher Qualität herzustellen.

„Schon wenn man einen Stift auf einen Tisch legt, ändert sich dessen Oberfläche um wenige Mikrometer. Das ist das Tausendfache dessen, was wir beim European XFEL tolerieren können.“ Ansonsten ist die Kohärenz der Blitze in Gefahr, eine Eigenschaft, die für einige Experimente von großer Bedeutung ist. „Das Problem ist nun, dass sich die Oberfläche der Spiegel um weit mehr als zwei Nanometer verändert, wenn man die Spiegel an ihre Haltevorrichtungen anbringt“, beschreibt Harald Sinn.

Um die nötige Präzision dennoch zu erreichen, kommen zwei Tricks zum Einsatz. Zum einen wird der European XFEL unebene Spiegel nutzen – uneben zumindest ohne Haltevorrichtung. Die Spiegel werden derart geschliffen, dass ihre Oberfläche selbst nicht eben ist, aber in Kombination mit der Haltevorrichtung. Diese Methode heißt „deterministisches Polieren“ und wurde erst kürzlich entwickelt. Zudem wird beim European XFEL eine Technik genutzt, die in der Astronomie unter der Bezeichnung „adaptive Optik“ bekannt ist. Dabei werden Spiegel lokal verformt, um beispielsweise Störungen, die durch atmosphärische Bewegungen entstehen, auszugleichen. Die Spiegel des European XFEL werden an den Seiten auch mit piezoelektrischen Elementen ausgestattet sein, mit denen auf ihre Form Einfluss genommen werden kann.

Die Spiegel, die beim European XFEL zum Einsatz kommen, können die Röntgenblitze nur bei kleinen Winkeln von einem Zehntel eines Grades reflektieren. Daher müssen die Spiegel eine Länge von 80 Zentimetern haben, weil der Strahl selbst eine Breite von einem Millimeter besitzt.

Eingefärbte Blitze

Aber das ist noch nicht alles. Denn obwohl man sagt, dass Laserlicht monochromatisch ist (dass es also nur aus einer Wellenlänge bzw. Farbe besteht), ist dies nicht völlig richtig. Ihre Farbe erstreckt sich vielmehr über eine kleine Bandbreite . Die Blitze haben also beispielsweise keine Wellenlänge von genau 0,1 Nanometer, sondern ihre Wellenlänge beträgt 0,0999 Nanometer bis 0,1001 Nanometer. Für einige Experimente muss diese Bandbreite um den Faktor zehn bis hundert reduziert wird.

Im Falle hochenergetischen Röntgenlichts wird dies mit Hilfe spezieller Kristalle erreicht, die nur Licht einer bestimmten Wellenlänge unter bestimmten Winkeln reflektiert. Für die langwelligeren Blitze werden die oben beschriebenen Spiegel mit einem Gitter versehen. Auch hier verlangt Harald Sinns Gruppe von der Industrie, neue Maßstäbe zu setzen.

Zudem gibt es noch die Herausforderung der reinen Größe, da es sich beim European um echte Großforschung handelt. Die Strahlführungsgruppe ist verantwortlich für ein kilometerlanges System von Vakuumröhren, die die Röntgenblitze von der Umgebung abschotten. Da sich diese Infrastruktur in Tunneln unter der Erde befinden, zu denen der Zugang während der Betriebsphasen sehr eingeschränkt sein wird, müssen alle Komponenten mit extremer Zuverlässigkeit arbeiten. „Das ist eine ziemliche logistische Herausforderung. Aber es ist diese Kombination aus dem Betreten von technologischem Neuland und der industriellen Größe der Anlage, die die Arbeit so interessant macht“, erklärt Harald Sinn.

Autor: Dirk Rathje

Das erste Spiegelsystem sorgt dafür, dass die Röntgenblitze von der zusätzlich erzeugten Hintergrundstrahlung getrennt werden. Mit dem zweiten Spiegelsystem werden die Blitze auf verschiedene Instrumente verteilt.