European XFEL

Weltgrößter Röntgenlaser geht in Betrieb

Photonen-Autobahn. Die Beamlines transportieren die Laserstrahlen zu den Instrumenten in der Experimentierhalle. Bild: European XFEL

Nach achtjähriger Bauzeit wird der leistungsstärkste Röntgenlaser der Welt in Schenefeld bei Hamburg feierlich eröffnet. Er feuert die kräftigsten Röntgenlaserblitze der Welt ab und erlaubt völlig neue Experimente.

Die Wanderung beginnt auf dem Gelände des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY) in Hamburg mit einer Fahrstuhlfahrt in 38 Meter Tiefe. Dann führt der Weg durch einen U-Bahn-artigen Tunnel, schnurstracks geradeaus in Richtung Nordwest, vorbei an gelb lackierten Hightech-Röhren und komplexen Magnetstrukturen. Nach dreieinhalb Kilometern ist das Ende erreicht - eine Halle in Schenefeld. Der Fußmarsch zeigt die Dimensionen einer der größten Wissenschaftsmaschinen Europas: Der European XFEL, englisch X-ray Free-Electron Laser, ist der leistungsstärkste Röntgenlaser der Welt. Nach achtjähriger Bauzeit ist er nun fertig: Ab September erzeugt er erste Röntgenblitze für die Forschung.

Basis ist ein fast zwei Kilometer langer Teilchenbeschleuniger. Er bringt Elektronen nahezu auf Lichtgeschwindigkeit, um sie dann durch sogenannte Undulatoren zu schicken. Diese Magnetstrukturen zwingen die rasenden Teilchen auf Slalombahnen – wodurch die Elektronen kurze und intensive Röntgenblitze abgeben, die zudem eine zentrale Eigenschaft von Laserlicht aufweisen: Die Strahlung ist kohärent, das heißt, die einzelnen Wellenzüge marschieren bildlich gesprochen im Gleichschritt, was 3D-Aufnahmen im Mikrokosmos ermöglicht. 

Mit diesen Röntgenblitzen wollen Forscher unterschiedliche Materialien durchleuchten: Chemiker können präzise verfolgen, wie molekulare Reaktionen ablaufen. Geoforscher werden den Einfluss künstlicher Schockwellen in Gesteinsproben studieren und Molekularbiologen Bilder von einzelnen Proteinen aufnehmen. Die bemerkenswerten Eigenschaften der Röntgenpulse machen völlig neue Experimente möglich: Zum einen sind sie so intensiv, dass sie die einzelnen Atome in einem Molekül sichtbar machen können. Zum anderen sind sie weniger 100 billiardstel Sekunden kurz, wodurch sich extrem schnelle Vorgänge verfolgen lassen, zum Beispiel chemische Reaktionen. Elf europäische Staaten sind unter dem Dach der gemeinnützigen European XFEL GmbH am Bau der neuen Forschungseinrichtung beteiligt, einem 1,2 Milliarden-Euro-Projekt mit DESY als Hauptgesellschafter.

"Anders als die anderen Anlagen basiert unser Röntgenlaser auf einem supraleitenden Beschleuniger“

2009 begann der Bau: Zwei Jahre lang hatten sich zwei Schildvortriebsmaschinen durch den Untergrund gegraben – lange, mechanische Riesenmaulwürfe, die auch für den Bau von U-Bahn-Tunneln verwendet werden. Heute sind die ersten beiden Tunnelkilometer von gelben, wuchtigen Röhren bestimmt, jede zwölf Meter lang und einen knappen Meter dick. Das Innenleben dieser Module ist hochkomplex: Ein dünnes, luftleer gepumptes Rohr für die schnellen Elektronen ist umringt von Heliumleitungen und Wärmeisolierung – eine raffinierte Kältetechnik. Sie kühlt das Röhreninnere auf minus 271 Grad herunter und schafft so die Voraussetzung, dass die Kernkomponenten funktionieren – die supraleitenden Resonatoren.

Diese Spezialröhren sind aus dem Metall Niob gefertigt, verlieren bei tiefen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand und sorgen dadurch für eine besonders effiziente Beschleunigung. "In ihrem Inneren wird eine elektromagnetische Welle angeregt“, sagt DESY-Beschleunigerchef Reinhard Brinkmann. "Auf dieser Welle reiten die Elektronen gewissermaßen und werden beim Durchfliegen beschleunigt.“ Insgesamt 96 supraleitende Module mit je acht Resonatoren reihen sich aneinander. 

Ab Kilometer Zwei ändert sich das Bild: Das letzte Modul ist passiert, das Ende des Beschleunigers erreicht. Der Tunnel geht in eine kleine Halle über, hier verzweigt er sich in ein System aus mehreren Tunnelröhren. In ihnen stehen weitere Kernkomponenten – die Undulatoren. Tobias Haas, Technischer Koordinator beim European XFEL, zeigt auf einen länglichen Klotz, der das flache Elektronenstrahlrohr nahezu einzwängt. Über und unter dem Rohr sind Permanentmagnete montiert, alle zwei Zentimeter wechseln sich Nord- und Südpol ab. "Eine lange Rennstrecke mit vielem Hin und Her“, sagt er. "Alle zwei Zentimeter geht’s für die Elektronen nach links und dann wieder nach rechts.“

Auf diesem Slalomkurs strahlen die schnellen Elektronen starkes Röntgenlicht ab. Insgesamt gibt es drei Undulatorstrecken. Jede von ihnen besteht aus bis zu 35 Segmenten, aufgereiht auf einer Strecke von über 200 Metern. "Wenn das Röntgenlicht eines Undulatorsegments mit dem Licht des nächsten im Takt schwingt, findet eine Verstärkung statt“, sagt Haas. "Nur dadurch erreiche ich den Verstärkungseffekt, den ich für Laser brauche.“ 

Haas geht weiter, vorbei am letzten Undulatorsegment. Jetzt teilt sich das Vakuumrohr in zwei Röhren auf: Die eine ist für die Elektronenpakete, die andere für die Röntgenlaserblitze. Um beide voneinander zu trennen, lenken Biegemagnete die Elektronen nach rechts in einen anderen Tunnel ab. Dagegen fliegen die Röntgenblitze strikt geradeaus – bis sie bei Kilometer 2,8 auf einen Spiegel treffen. "Einer der besten Spiegel der Welt“, sagt Haas. „Er kommt aus Japan und ist mit Nanometerpräzision geschliffen.“ 

Er verteilt die Blitze auf zwei Rohre und damit auf verschiedene Messstationen – so lässt sich die Anlage von noch mehr Forscherteams nutzen. 600 Meter laufen beide Röhren nebeneinander her und entfernen sich dabei immer weiter voneinander. Am Ende des Tunnels treten sie durch eine dicke Betonwand. Dahinter liegt die Experimentierhalle. Hier herrscht derzeit reges Treiben: Überall dort, wo die Strahlrohre durch die Betonwand in die Halle führen und später Experimente stattfinden, werden Experimentierhütten errichtet, deren bleihaltige Wände die Strahlung abschirmen. Dort hat der Aufbau der ersten Instrumente bereits begonnen: Die Röntgenblitze werden auf die verschiedensten Proben treffen und deren innerste Strukturen enträtseln.

"Unter anderem werden wir untersuchen können, wie chemische Reaktionen ablaufen und wie exotische Materiezustände aussehen, wie sie im Inneren von Planeten existieren“, sagt Massimo Altarelli, bis Dezember Vorsitzender der European XFEL-Geschäftsführung. "Langfristig sehe ich große Chancen für die Entwicklung innovativer Werkstoffe sowie das Design neuer Arzneimittel.“ 

Nach der Pionieranlage FLASH bei DESY sind auch in Japan, den USA, Südkorea und der Schweiz bereits Röntgenlaser gebaut worden. Den European XFEL zeichnet jedoch eines aus: "Anders als die anderen Anlagen basiert unser Röntgenlaser auf einem supraleitenden Beschleuniger“, sagt Altarelli. "Damit können wir rund 27.000 Blitze pro Sekunde erzeugen, statt 100 bis 120.“ So wird es Experimente geben, die nur hier möglich sind – ein großes Plus im internationalen Wettbewerb.

30.08.2017, Frank Grotelüschen
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