XFEL: European XFEL installiert modernstes „Auge“
European XFEL installiert modernstes „Auge“
Am European XFEL, dem weltweit größten Röntgenlaser, ist der erste hochmoderne Detektor installiert. Der LPD-Detektor (Large Pixel Detector) ist eine bahnbrechende „Röntgenkamera“, die von European XFEL und dem Rutherford Appleton Laboratory in der Nähe von Oxford in Großbritannien entwickelt wurde. Es ist der erste voll funktionsfähige Röntgenlichtdetektor, der Bilder mit einer Rate von 4,5 MHz (4,5 Millionen Bilder pro Sekunde) aufzeichnen kann – schnell genug, um mit der hohen Wiederholrate des European XFEL von 27 000 Röntgenblitzen pro Sekunde in kürzesten Zeitabständen Schritt zu halten. Der LPD ermöglicht dem FXE-Instrument (Femtosecond X-Ray Experiments), das ab September 2017 für wissenschaftliche Nutzer zur Verfügung steht, scharfe Schnappschüsse von ultraschnellen Prozessen wie chemischen Reaktionen aufzunehmen.
Markus Kuster, Leiter der Detektorentwicklungsgruppe bei European XFEL, erklärt: „Die Jahre intensiver Zusammenarbeit mit dem Rutherford Appleton Laboratory an der LPD-Entwicklung haben sich ausgezahlt und zu einem einzigartigen Detektor geführt, der Daten auf einer Zeitskala von einer milliardstel Sekunde aufzeichnen kann.“
Der Large Pixel Detector in den FXE-Instrumenthutte.
Die Leistungsfähigkeit des LPD ist derjenigen kommerzieller Detektoren oder Kameras weit überlegen. Sein Design ermöglicht es dem Detektor, Daten alle 222 Nanosekunden (milliardstel Sekunden) aufzunehmen – eine beispiellose Rate, die es erlaubt, einzelne ultrakurze Röntgenlaserblitze des European XFEL zu erfassen. Darüber hinaus hat der Detektor einen sehr großen sogenannten Dynamikbereich: Er kann sehr schwache Signale, die einem einzelnen Lichtteilchen (Photon) entsprechen, ebenso registrieren wie extrem starke Blitze, die von mehreren zehntausend Photonen in zwei benachbarten Pixeln hervorgerufen werden.
In einem typischen Experiment am European XFEL werden die Nutzer Proben – die oft aus einzelnen Molekülen bestehen – in den Röntgenlaserstrahl einbringen, um deren Struktur auf atomarer Ebene zu untersuchen. Detektoren erfassen das von der Probe gestreute Röntgenlaserlicht. Der hohe Dynamikbereich des LPD erlaubt sehr hohe Auflösungen, die die feinsten Details der Proben enthüllen.
Christian Bressler, leitender Wissenschaftler bei European XFEL und Leiter des FXE-Instruments, betont: „Wir haben jetzt eines der Augen für unser Instrument. Wir sind stolz darauf, hier den schnellsten Röntgendetektor der Welt zu haben! Zusammen mit unseren Software- und IT-Gruppen haben die Detektorentwicklungsgruppe von European XFEL und das Rutherford Appleton Laboratory hart und effizient für diesen Detektor gearbeitet.“
Die Entwicklung des LPD begann im Jahr 2006. Insgesamt wurden mehrere Prototypen mit einer kleineren Anzahl von Modulen entwickelt. So konnten die European XFEL-Wissenschaftler die Subsysteme des Detektors kennenlernen und entsprechend weiterentwickeln. Im Jahr 2014 begann das Rutherford Appleton Laboratory, an einem großen Gerät mit 16 Modulen für das FXE-Instrument zu arbeiten. Weitere Detektoren, die Bilder mit der benötigten Rate von 4,5 MHz aufnehmen können, sind für die anderen Instrumente der Anlage in Arbeit: der AGIPD-Detektor (Adaptive Gain Integrating Pixel Detector), der von DESY, entwickelt wurde, und der DSSC-Detektor (DEPFET Sensor with Signal Compression), der von einem speziellen Konsortium unter der Leitung von European XFEL entwickelt wurde. Am 1. September wird die Röntgenlaseranlage in Schenefeld offiziell eingeweiht.
Offizieles Übernahme der Schlüssel des LPD von Rutherford Appleton Laboratory. Von links: STFC Technology Department Division Head Marcus French, European XFEL-Detektor Gruppenleiter Dr. Markus Kuster, European XFEL Geschäftsführer Prof. Dr. Robert Feidenhans'l and STFC Application Engineer Matthew Hart.
