Skip Navigation
English version
Kontakte
Anfahrt
Home - Überblick - Funktionsweise

Funktionsweise

Um die Röntgenblitze zu erzeugen, werden Elektronen zunächst in Paketen auf hohe Energien gebracht und anschließend durch spezielle Magnetanordnungen gelenkt

 
Schema eines Freie-Elektronen-Lasers
In einem Freie-Elektronen-Laser werden Elektronen in einem Teilchenbeschleuniger auf hohe Energien gebracht, fliegen anschließend in einem Slalomkurs durch eine besondere Magnetanordnung ("Undulator") und senden dabei laserartig gebündelte Strahlung aus.
© European XFEL 2014
Zum Vergrößern auf das Bild klicken.

1. Elektronen auf Trab bringen.

Zu Beginn steht ein 1,7 Kilometer langer Teilchenbeschleuniger: Hier werden Elektronen in Paketen auf hohe Energien und nahezu Lichtgeschwindigkeit gebracht.

Die Beschleunigung erfolgt in besonders geformten Hohlräumen, den so genannten Resonatoren. In diesen Resonatoren schwingen Mikrowellen, deren Energie auf die Elektronen übertragen wird.

Die Resonatoren bestehen aus dem Metall Niob und sind supraleitend: Kühlt man sie auf minus 271 Grad Celsius ab, verlieren sie ihren elektrischen Widerstand. Strom fließt dann verlustfrei und praktisch die gesamte elektrische Leistung kann auf die Teilchen übertragen werden. Zudem ermöglicht die Supraleitung einen äußerst feinen und gleichmäßigen Elektronenstrahl. Ein Teilchenstrahl von so hoher Qualität ist die Voraussetzung für einen Röntgenlaser.

Erzeugt werden die Elektronenpakete, indem sie mit Hilfe eines konventionellen Lasers aus einem Metallstück gelöst werden. Die Anforderungen an die Elektronenquelle sind dabei enorm. Denn kleinste Unregelmäßigkeiten zu Beginn würden sich im Laufe der Beschleunigung verstärken und zu einem Elektronenstrahl von ungenügender Qualität führen.

 
Beschleunigung der Elektronen
Elektromagnetische Felder beschleunigen die Elektronen in den supraleitenden Resonatoren.
© DESY 2000
Zum Vergrößern auf das Bild klicken.
 
Supraleitender Beschleunigungselement
Beschleunigungsstrukturen aus Niob, so genannte Resonatoren, werden in supraleitenden Linearbeschleunigern eingesetzt. Bei minus 271 Grad Celsius verlieren sie ihren elektrischen Widerstand nahezu vollständig.
© DESY
Zum Vergrößern auf das Bild klicken.

2. Elektronen zur Lichtaussendung veranlassen.

Die beschleunigten Elektronen rasen anschließend durch so genannte Undulatoren, spezielle Magnetanordnungen, die die Teilchen auf einen engen Slalomkurs bringen. Dabei sendet jedes einzelne Elektron Röntgenlicht aus, das sich immer mehr verstärkt.

Zur Verstärkung kommt es aufgrund der Wechselwirkung der Lichts mit den Elektronen: Da sich das Licht schneller ausbreitet als die auf einer Slalombahn fliegenden Elektronen, überholt das Licht die Teilchen und wirkt beim Vorbeifliegen auf die Elektronen ein. Einige Elektronen werden beschleunigt, andere abgebremst. Als Folge davon ordnen sich die Elektronen in zahlreichen dünnen Scheiben an. Das Entscheidende: Sämtliche Elektronen in einer Scheibe strahlen jetzt im Gleichtakt. Dadurch entstehen extrem kurze und intensive Röntgenblitze mit den Eigenschaften von Laserlicht.

Dies ist das SASE-Prinzip – Self-Amplified Spontaneous Emission, die selbstverstärkte spontane Emission. Die Scheiben sind dabei erst nach einer Weile im Undulator voll ausgebildet, so dass für Freie-Elektronen-Laser sehr lange Undulatoren zum Einsatz kommen. Beim European XFEL erreichen sie eine Länge von über 100 Metern.

Mit einem Elektronenbeschleuniger lassen sich mehrere Undulatoren zugleich betreiben, so dass Strahlung mit unterschiedlichen Eigenschaften für verschiedene Messplätze erzeugt werden kann. Für den European XFEL sind zunächst fünf Undulatoren für zehn Messplätze geplant.

 
Erzeugung von Röntgenlaserblitzen in einem Undulator
Um die extrem kurzen und intensiven Röntgenlaserblitze zu erzeugen, werden hochenergetische Elektronenpakete durch spezielle Magnetanordnungen (Undulatoren) gelenkt.
European XFEL / Marc Hermann, tricklabor
Zum Vergrößern auf das Bild klicken.
 
Undulator
Um die extrem kurzen und intensiven Röntgenlaserblitze zu erzeugen, werden hochenergetische Elektronenpakete durch spezielle Magnetanordnungen (Undulatoren) gelenkt.
© European XFEL 2013
Zum Vergrößern auf das Bild klicken.

3. Röntgenblitze für die Forschung nutzen.

Die Röntgenblitze des European XFEL werden ganz unterschiedliche Experimente ermöglichen. Forscherinnen und Forscher werden dazu auf verschiedene Messplätze zurückgreifen können.

Der prinzipielle Aufbau der Experimente ist gleich: Mit Hilfe optischer Elemente wie Spiegeln, Gittern, Spalten oder Kristallen können die Röntgenblitze je nach Anforderung aufgeweitet, gebündelt, gefiltert oder abgeschwächt werden. In der Experimentierstation werden die Proben dann bereitgestellt und wechselwirken dort mit den Röntgenblitzen. Die Ergebnisse dieser Wechselwirkungen werden durch spezielle Nachweisgeräte beobachtet und die gewonnenen Daten aufgezeichnet und zur Analyse aufbereitet. In einem benachbarten Kontrollraum können die Forscher den Gang der Experimente verfolgen.