Ein großer, länglicher, metallener Tank steht an der Wan eines sehr langen, großen Tunnels.

Projekt im April: Strahlteiler für mehr Durchblick mit Röntgenpulsen

Verbundforschung gefördert durch das BMBF
Freie-Elektronen-Laser: Nichtlineare und zeitaufgelöste Röntgenphysik

Ein extrem genaues Mikroskop für die Abbildung winzigster Strukturen und eine Hochgeschwindigkeitskamera für unvorstellbar schnell ablaufende Prozesse – das ist FLASH. Als weltweit leistungsfähigster Freie-Elektronen-Laser erlaubt FLASH mittels hochintensiver Röntgenstrahlung einzigartige Einblicke in den Nanokosmos. Dazu werden Elektronen entlang einer 260 Meter langen Beschleunigerstrecke nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Eine spezielle Anordnung von Magneten, ein sogenannter Undulator, bremst die Elektronen anschließend in einem Slalomkurs ab und zwingt sie zur Aussendung von Röntgenblitzen.

Die ultrakurzen Röntgenblitze von FLASH II bieten ein ideales Werkzeug für viele Fragestellungen von der Chemie bis hin zu Material- und Lebenswissenschaften. Im Rahmen des hier vorgestellten Projekts wird eine Strahlteilungs- und Verzögerungseinheit für ultrakurze Röntgenpulse aufgebaut und an FLASH II installiert. Zweck dieser Einheit ist die Aufteilung des Röntgenstrahls in zwei Teilstrahlen, wobei einer der beiden sowohl zeitlich als auch in seiner Intensität verändert werden kann. Damit lassen sich sogenannte Pump-Probe-Experimente durchführen: Der erste Strahl regt die zu untersuchende Materialprobe an, während der zweite Strahl dazu dient, die Folgen dieser Anregung zu beobachten. Die Strahlteilungs- und Verzögerungseinheit wird Fragestellungen aus den Bereichen der Biotechnologie und Materialwissenschaften adressieren – im Bereich von millionstel Millimetern und billionstel Sekunden.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung förderte dieses Verbundprojekt im Zeitraum von Juli 2013 bis Dezember 2016 mit rund drei Millionen Euro.

Fördersumme: 3 115 901 €

Förderzeitraum: 01.07.2013 bis 31.12.2016

Förderkennzeichen: 05K13FKA, 05K13RF4, 05K13EKA, 05K13RK1, 05K13PM2

Beteiligte Institutionen: Universität Kiel, Universität Frankfurt, Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., Universität Kassel, Universität Münster

Ultrakurze Röntgenpulse aus Teilchen­beschleunigern ermöglichen „Schnappschüsse“ von verschiedenen Proben. Um jedoch dynamische Prozesse zu betrachten, benötigen Forscher mehrere Aufnahmen, die möglichst knapp aufeinanderfolgen. Für genau diesen Zweck entwickeln Helmut Zacharias und Kollegen am FLASH-Beschleuniger in Hamburg spezielle Pulsteiler.

Unter einem Mikroskop lassen sich auch sehr kleine Objekte im sichtbaren Licht beobachten. Für viele Forscher, etwa in der Biologie, ist das besonders wichtig. So können sie mit eigenen Augen den Aufbau und die Bewegungen ihrer Proben, beispielsweise einer Bakterienkolonie, beobachten. In der Materialforschung und der Atomphysik geht es hingegen meist um Proben, für die solche Mikroskope ungeeignet sind. Einzelne Moleküle oder Atomschichten auf einem Festkörper lassen sich mit sichtbarem Licht nicht abbilden und viele interessante Vorgänge laufen zu schnell ab, als dass sie das menschliche Auge erfassen könnte.

Hier kommt Röntgenstrahlung ins Spiel. Sie ist ebenso wie sichtbares Licht eine Form elektromagnetischer Strahlung, doch sie ist um ein Vielfaches energiereicher. So kann sie die Atome der Proben ionisieren, was bedeutet, dass Elektronen vom Atomkern getrennt werden. „Die Möglichkeiten für Untersuchungen mit Röntgenstrahlung sind praktisch unbegrenzt“, erklärt Helmut Zacharias von der Universität Münster. „Es beginnt in der Gasphase mit Fragen der Atom- und Molekülphysik, geht über die großen Molekülstrukturen der Clusterphysik und reicht bis in die Festkörperphysik, wo etwa die Oberflächen von Metallen und ihre Veränderung untersucht werden.“

Kurze Pulse für scharfe Bilder

Gerade Sportfotografen kennen die Problematik: Eine zu lange Belichtung lässt die schnellen Athleten oder Spieler verwackelt erscheinen – eine kurze Aufnahme ist hingegen schärfer. Ein ähnliches Problem tritt bei der Materialuntersuchung mit Röntgenstrahlung auf, denn die Röntgenstrahlung wirkt selbst auf die Probe ein. Je länger die Bestrahlung andauert, desto stärker verändert sich die Probe. In manchen Fällen kann die Röntgenstrahlung eine empfindliche Probe sogar komplett zerstören.

Deshalb sind möglichst kurze Pulse von wesentlicher Bedeutung: Mit ihnen hat die Probe wenig Zeit, sich unter Einwirkung der Röntgenstrahlung zu verändern. So entsteht eine scharfe Aufnahme vom Moment der Untersuchung. Wie bei einem Fußballspiel ist jedoch nur eine Aufnahme von genau einer Szene mitunter wenig aussagekräftig. Sie zeigt nicht zweifelsfrei, wer den Ball zuletzt berührt hat, in welche Richtung er fliegt oder wo er landet. Ähnliche Fragen stellen sich auch bei der Bewegung von Atomen oder dem Verhalten von Elektronen in einem Festkörper. Deshalb brauchen die Wissenschaftler mehrere Aufnahmen eines Vorgangs, um beispielsweise zu beobachten, wie sich ein Material durch die Bestrahlung verändert.

Eine metallene Platte, eingefasst in Plastik. Darunter zum Größenvergleich ein Lineal: Die Platte ist etwa 28 Zentimeter lang und einige Zentimeter hoch.
Röntgenspiegel für FLASH II

Besonders kurze Röntgenpulse werden heute in Freie-Elektronen-Lasern erzeugt. Dies sind Teilchenbeschleuniger, die Pakete von Elektronen auf hohe Energien bringen und diese dann durch Magnetfelder auf Slalombahnen fliegen lassen. Dabei werden die Elektronen zum Aussenden intensiver Röntgenstrahlung angeregt. Die so erzeugten Röntgenpulse sind, beispielsweise an der Beschleunigeranlage FLASH am Forschungszentrum DESY in Hamburg, weniger als eine Pikosekunde lang – das ist ein Millionstel von einem Millionstel einer Sekunde.

Obwohl bei FLASH im Vergleich zu anderen Beschleunigern wenig Zeit zwischen zwei Pulsen vergeht, ist diese gemessen an der Pulsdauer doch sehr lang: Mindestens eine Mikrosekunde liegt zwischen zwei Pulsen. Um millionenfach kürzere Verzögerungen von wenigen Pikosekunden zu ermöglichen, hat Helmut Zacharias gemeinsam mit Kollegen eine Technik entwickelt, einzelne Pulse aufzuteilen.

Geteilte Pulse aus dem Röntgenlaser

„An der ersten Generation unseres Pulsteilers arbeiten wir seit etwa zehn Jahren“, sagt Zacharias. „Sie wurde geplant und entwickelt, als auch der FLASH-Beschleuniger noch im Aufbau war. Damals wusste noch niemand genau, was die Maschine einmal leisten würde. Inzwischen haben wir vieles gelernt, das wir bei der kommenden Generation verbessern konnten.“ Diese zweite Generation wird bei der Erweiterung des FLASH-Beschleunigers, genannt FLASH II, sowie dem neuen europäischen Röntgenlaser European XFEL in den nächsten Jahren zum Einsatz kommen. Neben ähnlichen Einheiten von anderen Forschungsgruppen werden dann insgesamt drei von Helmut Zacharias und seinem Team konstruierte Strahlteiler an Freie-Elektronen-Lasern in Hamburg eingesetzt.

Schema: Ein Röntgenpuls trifft auf den Strahlteiler und wird teilweise zur Seite abgelenkt, wo er über weitere Spiegel parallel zur Strahlrichtung geführt wird. Der nicht abgelenkte Teil läuft ebenfalls über Spiegel einen kleineren Umweg.
Röntgenpuls im Strahlteiler

Das Grundprinzip des Strahlteilers haben die Aufbauten an allen drei Beschleunigern gemein: Die Röntgenpulse treffen auf einen Spiegel aus sehr glattem Metall, der zum Teil in den Strahlweg ragt. An der extrem scharfen Kante des Spiegels wird der Puls aufgespalten in einen Teil, der weiterfliegt, und einen Teil, der abgelenkt wird. Der abgelenkte Teilpuls wird dann über weitere Spiegel auf einen Umweg geführt, sodass er später ankommt als der andere Teil. Die Spiegel sind zudem auf Schienen montiert und lassen sich mithilfe von Motoren auf Mikrometer genau bewegen.

So kann der Laufweg des Lichts – und damit zugleich die Zeitverzögerung zwischen den beiden Teilpulsen – länger oder kürzer gewählt werden. Die Spiegel selbst müssen höchsten Anforderungen genügen: „Damit die Teilpulse nicht zerstreut werden, müssen alle Oberflächen extrem glatt sein. Wir arbeiten mit Spiegeln, die bis zu dreißig Zentimeter lang und einige Zentimeter breit sind, aber deren Oberflächen keine Unebenheiten von mehr als zehn Nanometern haben dürfen“, so Zacharias.

Vom Nutzer zum Dienstleister

Die Strahlteiler, an denen der Wissenschaftler und seine Kollegen seit mehr als zehn Jahren arbeiten, stecken in großen Stahltanks. Sichtbares Licht kann mit einem haushaltsüblichen Spiegel problemlos in alle Richtungen abgelenkt werden, doch die energiereiche Röntgenstrahlung wirkt umso stärker auf die Metallspiegel ein, je steiler sie auf ihre Oberfläche trifft. „Wir stellen die Spiegel nur um wenige Grad geneigt in den Strahl, damit sie nicht zu heiß werden. Wegen der kleinen Ablenkung müssen wir das Licht dann mehrere Meter zurücklegen lassen, ehe zwischen dem abgelenkten und dem nicht abgelenkten Teil des Strahls die Zeitverzögerung ausreichend groß ist“, erklärt Zacharias. Das Innere der Tanks muss dabei luftleer sein, damit die Röntgenstrahlung nicht durch Staub oder Gasmoleküle absorbiert oder zerstreut wird.

Schematische Darstellung: Der Röntgenstrahl trifft auf ein Ende des Spiegels, der mit seiner langen Achse fast parallel zum Strahl in einer großen Metallstruktur eingefasst ist. Der Strahl wird dabei in zwei geteilt.
Schematische Darstellung der Pulsteilung am Spiegel

An den drei Beschleunigern kommen zudem Spiegel aus verschiedenen Materialien zum Einsatz. Je höher die Energie der Röntgenstrahlung ist, desto mehr Aufwand muss in die Herstellung geeigneter Spiegel gesteckt werden. „Bei FLASH setzen wir Spiegel aus Kohlenstoffschichten ein, an FLASH II kommen Nickel und Platin zum Einsatz. Für den XFEL verwenden wir Platten aus Hunderten wenige Nanometer dünnen Schichten von Wolfram und Borkarbit“, so Zacharias.

Forscher aus der ganzen Welt können Röntgenlaser wie FLASH, FLASH II und XFEL nutzen, wenn sie mit einer Idee für ein Experiment überzeugen können. Seit etwa fünf Jahren stehen den Nutzern von FLASH auch Pulsteiler zur Verfügung, spätestens bis zum kommenden Jahr soll es auch bei FLASH II und dem XFEL so weit sein. Helmut Zacharias kommentiert, wie sich die Rolle seiner Forschungsgruppe im Lauf der Zeit gewandelt hat: „Bislang waren wir eher Nutzer, während wir die Pulsteiler entwickelt, aufgebaut und getestet haben. Doch in Zukunft sollen unsere Strahlteiler weitgehend automatisiert funktionieren. Sie können dann helfen, die Strahlung der Beschleuniger zu charakterisieren und die Maschine zu kalibrieren, doch vor allem werden sie dauerhaft Teil dessen, was die Anlagen den Nutzern zu bieten haben.“