Funktionsweise
Um die Röntgenblitze zu erzeugen, werden Elektronen zunächst in Paketen auf hohe Energien gebracht und anschließend durch spezielle Magnetanordnungen gelenkt.
1. Elektronen auf hohe Energien 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.
2. Elektronen erzeugen Röntgenlicht.
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. Derzeit gibt es drei Undulatoren mit sechs Experimentierstationen. In der Zukunft sind zwei weitere Undulatoren und mehrere neue Experimentierstationen geplant.
3. Röntgenblitze für die Forschung nutzen.
Die Röntgenblitze des European XFEL ermöglichen ganz unterschiedliche Experimente. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler können dazu auf verschiedene Messplätze zurückgreifen.
Der prinzipielle Aufbau der Experimente ist gleich: Mit Hilfe optischer Elemente wie Spiegel, Gitter, Spalten oder Kristalle können die Röntgenblitze je nach Anforderung aufgeweitet, gebündelt, gefiltert oder abgeschwächt werden. In der Experimentierstation treten die Proben mit den Röntgenblitzen in Wechselwirkung. Die Ergebnisse dieser Wechselwirkung werden durch spezielle Nachweisgeräte beobachtet und die Daten zur Analyse aufbereitet. Im benachbarten Kontrollraum können die Forschenden den Ablauf der Experimente verfolgen.