Erste Ergebnisse an DESYs neuem Freie-Elektronen-Laser
Erste Messperiode an DESYs neuem Freie-Elektronen-Laser VUV-FEL erfolgreich beendet: Bestätigung künftiger Anwendungsmöglichkeiten.
Mit positiver Bilanz ging an der neuen Röntgenstrahlungsquelle VUV-FEL bei DESY in Hamburg die erste Messperiode für externe Nutzer zu Ende. Seit der offiziellen Inbetriebnahme im August 2005 führten insgesamt 14 Forschergruppen aus zehn Ländern mit Hilfe des intensiven Laserstrahls erste Experimente durch. "Sowohl die externen Forscherteams als auch die DESY-Mannschaft konnten wertvolle Erfahrungen mit der neuen Anlage sammeln", so das Fazit von DESY-Forschungsdirektor Professor Jochen Schneider. "Als weltweit einzigartige Pionieranlage für Freie-Elektronen-Laser zur Erzeugung von Röntgenstrahlung bietet der VUV-FEL zum Beispiel völlig neue Möglichkeiten, Prozesse auf extrem kurzen Zeitskalen zu untersuchen. Die jetzt gemachten ersten Beobachtungen bestätigen, dass sich mit diesen Röntgenquellen der Zukunft ein weiteres faszinierendes Fenster für die Forschung öffnen wird."
Der Freie-Elektronen-Laser VUV-FEL ist die weltweit erste und bis 2009 einzige Quelle für intensive Laserstrahlung im Ultravioletten und weichen Röntgenbereich. Im Januar 2005 erzeugte die rund 300 Meter lange Anlage bei DESY erstmals Laserblitze mit einer Wellenlänge von 32 Nanometern (milliardstel Metern) - das ist die kürzeste Wellenlänge, die je mit einem Freie-Elektronen-Laser erreicht wurde. Seit August 2005 steht die Anlage als Nutzereinrichtung Forschergruppen aus aller Welt zur Verfügung. An bisher vier Messplätzen können sie im Wechsel ihre Instrumente aufbauen, um in Bereichen wie Cluster-, Festkörper- und Oberflächenphysik, Plasmaforschung und Biologie zu forschen.
"Der VUV-FEL ist ein absolutes Novum: Erstmals können Experimente mit intensiver, gepulster Laserstrahlung nun auch bei diesen kurzen Wellenlängen durchgeführt werden", erläutert DESY-Physiker Josef Feldhaus, der für die Koordination der Experimente am VUV-FEL zuständig ist. "Die Forscher betreten damit völliges Neuland, für das bisher keinerlei Erfahrungswerte vorlagen." Entsprechend reisten die meisten Gruppen mit neu gebauten Instrumenten an, die speziell auf die besonderen Eigenschaften der VUV-FEL-Strahlung zugeschnitten sind. Mit Erfolg: "Trotz der Komplexität der Apparaturen und der anfänglichen Kinderkrankheiten einer völlig neuen, noch nicht routinemäßig stabilen Strahlungsquelle waren die meisten Gruppen sehr zufrieden. Sie sind mit Speicherplatten voller Daten nach Hause gefahren, die sie nun auswerten." Die durchgeführten Experimente reichten von der Erzeugung und Vermessung von Plasmen über Studien an Gasen und Clustern bis hin zu ersten Untersuchungen von Experimentiermethoden für komplexe Biomoleküle, die später am europäischen Röntgenlaser XFEL zum Einsatz kommen sollen. Wie erwartet sind die Lichtblitze des VUV-FEL kürzer als 50 Femtosekunden (billiardstel Sekunden) - einigen Gruppen gelang es mit ihrer Hilfe schon, erste Prozesse auf extrem kurzen Zeitskalen zeitaufgelöst zu verfolgen, also quasi zu "filmen". Die Untersuchung von solchen zeitaufgelösten Prozessen mit Strahlung kurzer Wellenlängen gehört zu den wichtigsten neuen Anwendungsmöglichkeiten, die Röntgenlaser dieser Art künftig bieten werden.
Bevor die Nutzerteams ab Mai 2006 ihre Experimente weiterführen, stehen nun Maschinenstudien auf dem Programm, um die Stabilität des Betriebs weiter zu verbessern, die Energie der Lichtpulse zu erhöhen und die Wellenlänge der erzeugten Strahlung nochmals auf etwa 15 Nanometer zu verkürzen. Auch für den in Hamburg geplanten 3,4 km langen europäischen Röntgenlaser XFEL, der noch kürzere Wellenlängen bis 0,085 Nanometer erzeugen wird und 2013 den Betrieb aufnehmen soll, sowie für den Internationalen Linearcollider ILC für die Teilchenphysik werden in dieser Zeit zahlreiche Studien durchgeführt. Die vorgesehene minimale Wellenlänge von 6 Nanometern wird der VUV-FEL nach Einbau eines weiteren Beschleunigungsmoduls im Jahr 2007 erreichen.
Der Freie-Elektronen-Laser VUV-FEL nutzt das neuartige SASE-Prinzip ("Self-Amplified Spontaneous Emission") zur Erzeugung der kurzwelligen, intensiven Laserlichtblitze: Zunächst bringt ein supraleitender Linearbeschleuniger Elektronen auf hohe Energien. Anschließend rasen die hoch beschleunigten Elektronen durch eine periodische Magnetanordnung, den so genannten Undulator, der sie auf einem rasanten Slalomkurs zur Aussendung von Lichtblitzen zwingt. Diese werden schließlich über komplexe Strahlführungen in die Experimentierhalle zu den Messapparaturen geleitet.
