XFEL: Dicke Betonwände gegen die Kraft von einer Billion Glühlampen

Das erste Gebäude für ein wissenschaftliches Instrument steht seit kurzem in der unterirdischen Experimentierhalle des European XFEL in Schenefeld. Es ist eine 900-Tonnen-Betonkonstruktion, rund 100 Quadratmeter umgeben von mit Eisen verstärktem Beton von bis zu einem Meter Dicke. Hier wird später das High Energy Density science (HED) Instrument stehen. Mit HED werden Forscher Materie unter Extrembedingungen – sei es Druck, Temperatur oder elektrische Felder – studieren können; einige davon ähneln denen im Inneren von Planeten innerhalb und außerhalb unseres Sonnensystems.

Die dicken Betonwände werden benötigt um die in der Experimentierhalle arbeitenden Wissenschaftler vor der Quelle der recht ungemütlichen außerirdischen Bedingungen zu schützen: Ein extrem starker optischer Laser, der mit einer Spitzenleistung von 100 Terawatt – das entspricht der Leistung von einer Billion 100 Watt Glühbirnen – wahre Hotspots erzeugen kann. Dennoch ist die Energie nur klein, die dafür benötigt wird: Sie beträgt nur drei Joule – weniger als man braucht, um einen Milliliter Wasser um ein Grad zu erwärmen. Diese kleine Menge reicht, weil die Lichtblitze so kurz und der Fokus so klein sind: Insgesamt 30 Femtosekunden oder 30 billiardestel Sekunden feuert der Laser auf einen sehr kleinen Punkt von einem Durchmesser von weniger als einem Haar.

Der Terawatt-Laser ist der stärkste von drei optischen Lasern am HED-Instrument, die die extremen Zustände für die Untersuchung mit dem freie-Elektronen Röntgenlaser (XFEL) erzeugen. Er arbeitet im Infrarotbereich – nahe dem Bereich des sichtbaren Lichts. In dem fokussierten Laserlicht erreicht man extrem hohe Intensitäten, mit denen Elektronen auf relativistische Energien beschleunigt werden können. Die Elektronen stammen aus den zu untersuchenden Proben, die in den Fokus des Lasers platziert werden. Die Streuung der Elektronen führt dann zur Aussendung hoch energetischer Gamma- oder Röntgenstrahlung. . Aus diesem Grund hat das Instrument eine besonders starke Abschirmung, während die Wände der anderen Instrumente lediglich die Röntgenstrahlung des FELs abschirmen und deshalb dünner sind und aus wenigen Millimetern Stahl und Blei aufgebaut sind bestehen.

Der hochintensive Laser ist als Beitrag des Helmholtz International Beamline for Extreme Fields at the European XFEL (HIBEF)-Nutzerkonsortiums geplant. Im nächsten Schritt wird nun die Infrastruktur der Messhütte eingebaut, 2017 soll das HED-Instrument Nutzern zur Verfügung stehen.