Hohlraumresonator

Die Technologie

Der European XFEL erzeugt Röntgenlaserlicht nach dem selbstverstärkenden SASE-Prinzip. Dabei werden Elektronen in einem supraleitenden Teilchenbeschleuniger auf hohe Energien gebracht und anschließend durch spezielle Magnetanordnungen gelenkt, in denen sie Röntgenlichtblitze aussenden.

Grafische Darstellung eines Freie-Elektronen-Lasers: Aus einer Elektronenquelle und einem Beschleuniger kommend (links, dargestellt als kleiner Zylinder) fliegt ein Elektronenstrahl im Slalomkurs durch eine periodische Magnetstruktur (zwei lange Reihen von abwechselnden grünen und violetten Kästen oberhalb und unterhalb des Strahls). Darin erzeugt er Röntgenlicht, das als gelber Strahl dargestellt ist. Hinter der Magnetstruktur wird der Elektronenstrahl zur Seite in eine Elektronenfalle abgelenkt, während der Lichtstrahl geradeaus zu einem Experiment weitergeleitet wird.
Schema eines Freie-Elektronen-Röntgenlasers

Zu der geplanten Anlage gehört ein supraleitender Elektronenbeschleuniger. Er bringt dicht gebündelte Paketen von Elektronen auf Energien von 10 bis 17,5 Milliarden Elektronenvolt. Anschließend fliegen die lichtschnellen Elektronen im Slalomkurs durch spezielle Magnetanordnungen, die Undulatoren. Dabei geben sie Röntgenstrahlung ab, die sich während des Fluges immer mehr verstärkt.

Das Ergebnis ist brillant: außerordentlich intensive und kurze Röntgenblitze mit Lasereigenschaften. Die Voraussetzung dafür ist ein Elektronenstrahl von extrem hoher Qualität. Mit dem Elektronenbeschleuniger lassen sich gleich mehrere Undulatoren betreiben, so dass Strahlung für verschiedene Messplätze erzeugt werden kann. Für das Röntgenlaserprojekt sind zunächst sechs Messplätze für unterschiedliche Experimente geplant.

Das Funktionsprinzip des Röntgenlasers

Ein supraleitender Beschleuniger

Grafische Darstellung eines Elektrons, das in einer langen, metallenen Struktur durch elektromagnetische Felder beschleunigt wird. Diese sind durch bunte Feldlinien dargestellt. Die Beschleunigungsstruktur besteht aus hintereinander aufgereihten, miteinander verbundenen Hohlräumen, die wie abgeflachte Kugeln geformt sind.
Beschleunigung der Elektronen in supraleitenden Resonatoren

Die Elektronen müssen zunächst auf Energien von einigen Milliarden Elektronenvolt beschleunigt werden, bevor sie Röntgenblitze aussenden können. Das geschieht in den Hohlraumstrukturen, in denen elektromagnetische Felder die Teilchen beschleunigen. Diese Resonatoren bestehen aus Niob und sind supraleitend: Kühlt man sie auf minus 271 Grad Celsius ab, verlieren sie ihren elektrischen Widerstand. Der Strom fließt dann in den Resonatoren verlustfrei – eine äußerst effiziente und energiesparende Methode der Beschleunigung. Praktisch die gesamte elektrische Leistung wird auf die Teilchen übertragen.

Außerdem liefern die supraleitenden Resonatoren einen äußerst feinen und gleichmäßigen Elektronenstrahl von extrem hoher Qualität: Jeweils mehrere Milliarden freie Elektronen haben die gleiche Energie und Richtung und sind zu Paketen zusammengefasst, deren Durchmesser gerade einen zehntel Millimeter beträgt. Ein so spezieller Teilchenstrahl ist die Voraussetzung dafür, einen Röntgenlaser überhaupt betreiben zu können.

Ein Laser nach dem SASE-Prinzip

Diagramm, in dem nach oben die Strahlungsleitung im logarithmischen Maßstab aufgetragen ist, nach rechts die zurückgelegte Entfernung im Undulator. Die Kurve beginnt zunächst relativ flach bei null und steigt dann geradlinig an, bis sie rechts einen Sättigungswert erreicht. Über der Kurve ist die Form der Elektronenpakete schematisch dargestellt: Anfangs sind sie geformt wie langgezogene, homogene "Zigarren", danach wird daraus eine Aneinanderreihung von einzelnen "Scheibchen", die immer stärker ausgeprägt werden.
Microbunching beim selbstverstärkenden SASE-Effekt

Die hoch beschleunigten Elektronen fliegen anschließend durch den Undulator, eine periodische Magnetanordnung, die sie auf einen rasanten Slalomkurs zwingt. Dadurch sendet jedes einzelne Elektron einen hellen, gebündelten Röntgenblitz aus. Da diese Blitze schneller sind als die auf einer oszillierenden Bahn fliegenden Elektronen, überholen sie die Teilchen vor ihnen. Und wirken beim Vorbeifliegen auf die Elektronen ein, indem sie einige beschleunigen, andere abbremsen. Als Folge davon ordnen sich die Elektronen nach und nach zu vielen dünnen Scheibchen an. Am Ende des Undulators ist diese Scheibchenstruktur voll ausgebildet. 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. Das Besondere daran: Die Wellenlänge lässt sich je nach Bedarf einstellen – im Gegensatz zu herkömmlichen Lasern. Die Beschleunigung der Elektronen muss nur entsprechend der gewünschten Wellenlänge eingestellt werden. Auf Spiegel, die für eine Laserverstärkung normalerweise erforderlich sind, kann vollständig verzichtet werden. Solche Laserspiegel sind für Wellenlängen unter 100 Nanometer auch gar nicht verfügbar.