Freie-Elektronen-Laser FLASH

Seit 2005 steht den Forschern bei DESY eine einmalige neue Lichtquelle zur Verfügung: FLASH, der weltweit erste und bis 2009 einzige Freie-Elektronen-Laser für den Bereich der weichen Röntgenstrahlung. Unter den modernen Lichtquellen spielt FLASH eine absolute Vorreiterrolle – und übertrifft dabei sowohl die besten Synchrotronstrahlungsquellen als auch die modernsten Lasersysteme im Röntgenbereich.

Während Synchrotronstrahlungsquellen zwar stark gebündelte Strahlung liefern, erzeugt FLASH Licht mit echten Lasereigenschaften, also perfekt gebündelte Strahlen. Herkömmliche Laser bieten im Röntgenbereich nur geringe Leistungen – die Spitzenleuchtstärke von FLASH ist um Größenordnungen höher, sogar als die moderner Synchrotronstrahlungsquellen. Da die Laserstrahlung bei FLASH außerdem in ultrakurzen Blitzen abgegeben wird, eröffnen sich den Forschern mit der neuen DESY-Anlage Experimentiermöglichkeiten, die derzeit an keiner anderen Lichtquelle der Welt gegeben sind.

Weltweit wetteifern die Strahlungsquellenbauer seit Jahren darum, den ersten Hochleistungslaser für den Röntgenbereich zu entwickeln. Dabei hat das internationale FLASH-Team eindeutig die Nase vorn: Der 260 Meter lange Freie-Elektronen-Laser bei DESY ist derzeit die einzige Laseranlage auf der Welt, die schnell gepulste, leistungsstarke und ultrakurze Lichtblitze im weichen Röntgenbereich liefert. Bereits während der ersten Messperiode 2005-2006 hielt FLASH mit 32 Nanometern (milliardstel Metern) den Rekord der kürzesten, je mit einem Freie-Elektronen-Laser erzeugten Wellenlänge. 2006 stellte die FLASH-Mannschaft mit einer Wellenlänge von nur 13,1 Nanometern einen neuen Rekord auf – und das bei Laserleistungen, die höher sind als alles, was heute selbst an den größten Plasma-Röntgenlaseranlagen der Welt erzeugt werden kann.

Im Sommer 2007 wurde FLASH weiter ausgebaut, mit dem Ziel, die Wellenlänge der erzeugten Strahlung auf den geplanten Wert von 6 Nanometern zu verkürzen. Damit wird DESY seine weltweite Spitzenposition weiter behaupten können, bis 2009 der Freie-Elektronen-Laser LCLS (Linac Coherent Light Source) in Stanford (USA) mit noch kürzeren Wellenlängen im harten Röntgenbereich in Betrieb geht.

Heiß begehrt

Die FLASH-Anlage bei DESY ist als Nutzereinrichtung für die Forschung mit kurzwelliger ultravioletter und weicher Röntgenstrahlung im Einsatz. Die Messzeit an den anfangs vier von fünf Messplätzen ist heiß begehrt – ein Jahr nach Beginn des Nutzerbetriebs war die Anlage bereits dreifach überbucht. Schon während der ersten Messperiode bestätigten sich die großen Hoffnungen, die die Forscher in die revolutionär neuen Messmöglichkeiten an dem Freie-Elektronen-Laser gesetzt hatten. Entsprechend gibt es zahlreiche Interessenten für weitere Projekte an FLASH, aus Bereichen wie zum Beispiel der Physik, Chemie oder Molekularbiologie.

Doch FLASH ist nicht nur als neuartiges Forschungsinstrument gefragt. Die Anlage spielt außerdem eine wichtige Pionierrolle für die künftigen größeren Freie-Elektronen-Laser, wie LCLS in Stanford und den europäischen Röntgenlaser XFEL, die Lichtblitze im harten Röntgenbereich erzeugen werden. An FLASH entwickeln und testen die Wissenschaftler, Techniker und Ingenieure sowohl die supraleitende Beschleunigertechnologie, die beim XFEL zum Einsatz kommt, als auch die speziellen Magnetanordnungen zur Erzeugung der Röntgenblitze, die optischen Komponenten, Messaufbauten und Nachweisgeräte. Ebenso wertvolle Erfahrung sammeln sie beim Betrieb von FLASH mit der elektronischen Verarbeitung großer Datenmengen. Zudem ist FLASH derzeit die einzige Strahlungsquelle auf der Welt, an der die Forscher neuartige Experimentiermethoden für die künftigen Röntgenlaser studieren können.

Einmalige Experimentiermöglichkeiten

Die außergewöhnlichen Eigenschaften der FLASH-Strahlung eröffnen Forschern fast aller Naturwissenschaften nie dagewesene Experimentiermöglichkeiten. So übertrifft die Spitzenleuchtstärke von FLASH die der modernsten Synchrotronstrahlungsquellen um das Zehnmillionenfache und erlaubt damit bisher undurchführbare Untersuchungen beispielsweise von Prozessen der Astrophysik an extrem verdünnten Proben. Die Strahlung ist laserartig, also kohä­rent, und die Wellenlänge lässt sich im Bereich von derzeit 13, später 6 bis 60 Nanometern einstellen. Besonders wichtig ist auch die extrem kurze Dauer der Strahlungspulse, die nur 10 bis 50 Femtosekunden (billiardstel Sekunden) beträgt. Wie mit einem ultraschnellen Stroboskop können die Wissenschaftler damit zukünftig schnelle Abläufe wie die Bildung von chemischen Bindungen filmen oder etwa die Vorgänge bei der magnetischen Datenspeicherung direkt beobachten. Die hohe
Energie der Strahlung erlaubt es, im Labor Energiedichten in Materie herzustellen, wie man sie sonst nur im Kosmos findet, und eröffnet daher auch für die Plasmaphysik neuen Zugang zu offenen Fragen. Besonders interessant ist auch der Wellenlängenbereich um 13,5 Nanometer, denn Strahlung dieser Wellenlänge wird in der Halbleiterindustrie benötigt, um mit Hilfe der EUV (extreme ultraviolet)-Lithographie die zukünftige Generation von Mikroprozessoren herzustellen.

Für die Lebenswissenschaften ist der Wellenlängenbereich zwischen 2,3 und 4,4 Nanometern, der als „Wasserfenster“ bezeichnet wird, ausschlaggebend. Im Wasserfenster absorbieren die Kohlenstoffatome in organischer Materie die Strahlung sehr gut, während das umgebende Wasser transparent und damit unsichtbar bleibt. Dieser Wellenlängenbereich wird von einem speziellen, schwächeren Anteil der FLASH-Laserstrahlung abgedeckt, der so genannten dritten und fünften Harmonischen (d.h. Strahlung mit Wellenlängen, die dem entsprechenden Vielfachen der eingestrahlten Laserfrequenz entsprechen). Diese erreichen derzeit Wellenlängen von 4,4 beziehungsweise 2,8 Nanometern. Dadurch werden für die Biologen bisher undurchführbare Untersuchungen zugänglich, etwa holographische Aufnahmen von Zellsystemen mit Hilfe eines einzigen Lichtpulses aus der FLASH-Anlage.

Technologie für die Beschleuniger von morgen

Auch in technologischer Hinsicht dringt FLASH weit in Neuland vor. Der Freie-Elektronen-Laser funktioniert nach dem neuartigen SASE-Prinzip (Self-Amplified Spontaneous Emission), einem besonderen Verstärkungsprozess. Dabei fliegen Elektronen aus einem Teilchenbeschleuniger durch eine periodische Magnetanordnung, den Undulator, der sie auf einem rasanten Slalomkurs zur Aussendung von Lichtblitzen zwingt. Diese verstärken sich nach dem SASE-Prinzip zu kurzwelligen, intensiven Laserlichtblitzen.

Ein besonderes Merkmal bei FLASH ist der Einsatz supraleitender Beschleunigertechnik, um die Elektronen auf die erforderlichen hohen Energien zu bringen. Die hierfür eingesetzte Technologie wurde vom internationalen Team der TESLA Collaboration von 1992 bis 2004 bei DESY entwickelt und erprobt. In den auf minus 271 Grad Celsius gekühlten Beschleunigungselementen, den Resonatoren, fließt der Strom verlustfrei, so dass praktisch die gesamte eingespeiste elektrische Leistung auf die Teilchen übertragen werden kann – eine äußerst effiziente Methode der Beschleunigung. Außerdem liefern die supraleitenden Resonatoren einen sehr feinen und gleichmäßigen Elektronenstrahl von extrem hoher Qualität. Ein solcher spezieller Teilchenstrahl ist die Voraussetzung dafür, einen Freie-Elektronen-Laser im Röntgenbereich überhaupt betreiben zu können.

Die supraleitende TESLA-Beschleunigertechnologie bildet die Grundlage für zwei weitere Großprojekte: den europäischen Röntgenlaser XFEL mit seinem rund 1,5 Kilometer langen Linearbeschleuniger und das Zukunftsprojekt der Teilchenphysik, den in weltweiter Zusammenarbeit geplanten International Linear Collider ILC. Dessen zwei, bis zu 20 Kilometer lange Beschleunigungsstrecken sollen ebenfalls mit supraleitenden Resonatoren bestückt werden. Beim Betrieb des 120 Meter langen Linearbeschleunigers von FLASH können die Wissenschaftler und Ingenieure deshalb für beide Projekte wichtige Erkenntnisse gewinnen. Auch für Industrieunternehmen ist die Beteiligung an der FLASH-Anlage langfristig sehr attraktiv, da sie sich durch das erworbene technische Know-how für den XFEL und den Bau weiterer Linearbeschleuniger weltweit qualifizieren können.

Forschungsbeispiele

BLITZLICHT (5.5 MB) In der allgemein verständlichen Broschüre BLITZLICHT finden Sie ausgewählte Beispiele für die Forschung an FLASH