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Reise in die Nanowelt Röntgenlaser des European XFEL erlaubt unerreichte Einblicke

| Autor/ Redakteur: Fabian Frey* / Dr. Ilka Ottleben

Der weltweit größte und stärkste Röntgenlaser ist Anfang September 2017 in Hamburg offi­ziell in Betrieb genommen worden. Die 3,4 km lange Anlage des European XFEL wird völlig neue Forschungsfelder erschließen und bislang unerreichte Einblicke in den Nano­kosmos bieten. Dabei hilft auch Vakuumtechnik aus Asslar.

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Abb. 1: Blick in den European XFEL-Beschleunigertunnel
Abb. 1: Blick in den European XFEL-Beschleunigertunnel
(Bild: © European XFEL / Heiner Müller-Elsner)

Anfang September 2017 wurde ein Meilenstein in der Geschichte der nanotechnologischen Forschung erreicht: Mit der Einweihung des European XFEL (X-Ray Free-Electron Laser) wurde der weltweit größte und stärkste Röntgenlaser offiziell in Betrieb genommen. Die Anlage wird völlig neue Forschungsfelder erschließen und bislang unerreichte Einblicke in den Nanokosmos bieten.

Der European XFEL ist eine neue internationale Forschungseinrichtung, an der zwölf europäische Länder beteiligt sind. Mit Bau und Betrieb des Röntgenlasers ist eine gemeinnützige Gesellschaft, die European XFEL GmbH, beauftragt. Hauptgesellschafter ist DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron), ein weltweit führendes Zentrum zur Erforschung von Materie und langjähriger Partner von Pfeiffer Vacuum. Die 3,4 km lange Anlage reicht vom DESY-Campus in Hamburg bis in die schleswig-holsteinische Stadt Schenefeld (Kreis Pinneberg).

Die interdisziplinäre Forschung am European XFEL wird für viele wissenschaftliche Bereiche wertvolle Erkenntnisse liefern. Die Erfahrung zeigt, dass sich aus dieser Form von Grundlagenforschung wichtige Anwendungen ergeben. Von der neuen Anlage werden zahlreiche wissenschaftliche Bereiche profitieren – u.a. die Medizin, Pharmazie, Chemie, Physik, Materialwissenschaft, Nanotechnologie, Energietechnik und Elektronik. Mit den einzigartigen Röntgenblitzen des European XFEL können Wissenschaftler beispielsweise atomare Details von Mikroorganismen wie Viren oder von Zellen entschlüsseln, dreidimensionale Aufnahmen aus dem Nanokosmos machen, chemische Reaktionen filmen und Vorgänge wie die im Inneren von Planeten untersuchen.

Röntgenstrahlen mit den Eigenschaften von Laserlicht

Um die Röntgenblitze zu erzeugen, werden Elektronen zunächst in Paketen auf hohe Energien gebracht und durch spezielle Magnetanordnungen (Undulatoren) gelenkt (s. Abb. 2).

Undulatoren sind Strecken mit alternierend angeordneten Permanent-Magneten. Diese zwingen die beschleunigten Elektronen auf einen engen Slalomkurs. Bei jeder Richtungsänderung emittieren die Elektronen Röntgenlicht. Die Wechselwirkung der Röntgenstrahlen mit den Elektronen und die Anordnung der Magneten im Undulator lassen Licht mit laserartigen Eigenschaften entstehen, bei dem die Wellen in Phase schwingen. Das bedeutet, dass der European XFEL Röntgenstrahlen mit den Eigenschaften von Laserlicht produziert.

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Forschung mit Superlativen

Der European XFEL erzeugt ultrakurze Laserlichtblitze im Röntgenbereich – 27 000-mal in der Sekunde und mit einer Leuchtstärke, die in ihren Spitzenwerten mit 5·1033 (Photonen / s / mm2 / mrad2 / 0,1% Bandbreite) milliardenfach höher ist als die der besten Röntgenstrahlungsquellen herkömmlicher Art. Der Beschleuniger erzeugt eine Energie von 17,5 Milliarden Elektronenvolt. Sie ist ausbaubar auf 20 Milliarden Elektronenvolt. Damit ließe sich eine noch kürzere Wellenlänge erzielen. Die Beschleunigerelemente werden mithilfe von flüssigem Helium auf -271 Grad Celsius gekühlt. Sie leiten Strom dann verlustfrei. Die Wellenlängen der Röntgenblitze des European XFEL sind mit 0,05 bis 4,7 Nanometer so klein, dass selbst atomare Details erkennbar werden.

Individuelle Lösungen für Ultrahoch- oder Hochvakuum

Alle diese Prozesse benötigen Ultrahoch (UHV)- oder Hochvakuum (HV)-Bedingungen. In jahrelanger Zusammenarbeit wurden bei Pfeiffer Vacuum passgenaue Vakuumlösungen für die UHV (E-7 hPa) Hochvakuumanwendungen des European XFEL entwickelt. Alle Lösungen wurden individuell auf die spezifischen Bedürfnisse und Anforderungen dieser Anwendungen abgestimmt. Beim High Energy Density (HED)-Instrument des European XFEL werden mehrere Turbopumpen von Pfeiffer Vacuum genutzt, um den Druck von Ultrahochvakuum auf Hochvakuum zu erhöhen. Hierzu können Ionengetterpumpen nicht eingesetzt werden. Der gesamte Strahlweg ist fensterlos. Deswegen muss die Differentialpumpstufe nicht nur mit unterschiedlichsten Vakuumniveaus zurechtkommen, sondern auch noch plötzlichen oder unerwarteten Gaszustrom bewältigen. Ferner müssen die Turbopumpen als Bindeglied das Ultrahochvakuum auf der Seite zu den Ionengetterpumpen aufrechterhalten, damit die Schutzventile der Maschine nicht auslösen und dadurch den Strahl unterbrechen.

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Interview mit Ian Thorpe, Ingenieur für das HED-Instrument am XFEL

Ian Thorpe, Ingenieur für das High Energy Density (HED)-Instrument am European XFEL, erläutert unter anderem, wo die Vakuumlösungen zum Einsatz kommen und welche Anforderungen sie erfüllen müssen.

LP: Herr Thorpe, bitte erklären Sie uns die wichtigsten Merkmale des Röntgenlasers.

Thorpe: Der European XFEL erschließt völlig neue Forschungsfelder, die bislang nicht zugänglich waren. Mit den Röntgenblitzen des European XFEL sind Wissenschaftler in der Lage, die molekulare Zusammensetzung von Zellen zu entschlüsseln, chemische Reaktionen aufzunehmen, Vorgänge wie die im Inneren von Planeten zu untersuchen oder die atomaren Details von Viren zu kartografieren.

LP: In welchen Prozessen kommt bei Ihrer Arbeit im XFEL Vakuumtechnologie zum Einsatz?

Thorpe: Ich bin Ingenieur für das HED-Instrument am European XFEL. Schwerpunkt der Forschungsarbeiten mit dem HED sind wissenschaftliche Anwendungen zu im Inneren von Exoplaneten vorkommender Materie, zu neuen Extremdruck-Phasen und Plasmen mit Festkörperdichte sowie zu strukturellen Phasenübergängen komplexer Feststoffe in starken magnetischen Feldern. Davon profitiert beispielsweise die Forschung in den Gebieten Planetologie, Magnetismus und Plasmaphysik. Wir benötigen ein gutes Vakuum, damit der XFEL-Strahl und die Hochleistungslaser weitergeleitet werden können und mit Materie interagieren. Und zwar ohne Beeinträchtigung durch Luftmoleküle oder Kohlenwasserstoffe, die störende Untergrundsignale an den Detektoren erzeugen können.

LP: Wo verwenden Sie Lösungen von Pfeiffer Vacuum?

Thorpe: Beim HED-Instrument nutzen wir im Optikbereich UHV-Röntgenoptik und Diagnostik. Diese Systeme werden durch Ionengetterpumpen evakuiert, um die UHV-Bedingungen aufrecht zu erhalten. Wenn der Strahl in die Experimentierstation gelangt, in der die Nutzer des Instruments ihre Experimente durchführen, sind Hochvakuum (HV)-Bedingungen notwendig. Genau hier kommen Produkte von Pfeiffer Vacuum zum Einsatz.

LP: Gibt es noch weitere Einsatzbereiche für Pfeiffer-Vacuum-Produkte?

Thorpe: Bei Hochvakuumanwendungen am European XFEL werden bevorzugt Turbopumpen, Steuerungen und Messgeräte von Pfeiffer Vacuum eingesetzt. Aber auch unsere portablen Pumpstände sind mit Lösungen von Pfeiffer Vacuum ausgestattet.

LP: Welche Eigenschaften der Pfeiffer-Vacuum-Lösungen sind für den Röntgenlaser besonders wichtig?

Thorpe: Ausschlaggebend war in erster Linie, dass sie in die spezifische XFEL-Steuerung integriert werden konnten. Außerdem war die einfache Installation von Vorteil. Darüber hinaus haben sie sich durch ihren geringen Wartungsaufwand für unsere Anwendung qualifiziert.

Vielen Dank für das Gespräch, Herr Thorpe!

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