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Reise in die Nanowelt

Röntgenlaser des European XFEL erlaubt unerreichte Einblicke

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

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

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.

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.

Ergänzendes zum Thema
 
Forschung mit Superlativen

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.

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

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