Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

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FLASH und FLASH IIam Helmholtz-Zentrum DESY in HamburgFLASH (Freie-Elektronen-LASer in Hamburg) bei DESY inHamburg bietet fünf Messplätze, an denen im Wechsel Nutzer-Instrumente betrieben werden können. Seine intensiven, ultrakurzenLaserpulse ermöglichen vollkommen neue Experimentebei extrem hoher Zeitauflösung oder unter Ausnutzung der Kohärenzdes Laserlichtes.Der 260 Meter lange Freie-Elektronen-Laser FLASH ist dieerste Lichtquelle der Welt, die kurzwellige Laserstrahlung imSpektralbereich des Vakuum-Ultraviolett und der weichenRöntgenstrahlung mit hoher Spitzenleuchtstärke und ultrakurzenLichtpulsen liefert. FLASH kann auf jede Wellenlänge zwischenetwa 60 Nanometern und 6,5 Nanometern abgestimmtwerden. Kürzere Wellenlängen hat bisher kein anderer Freie-Elektronen-Laser erreicht. Während Synchrotronstrahlungsquellenbereits sehr stark gebündelte Strahlung liefern, erzeugtFLASH kohärentes Licht mit echten Lasereigenschaften, das sichpraktisch beugungsbegrenzt ausbreitet. Die Lichtblitze sind mit10 bis 50 Femtosekunden einen Faktor 1.000 kürzer als die modernerSynchrotronstrahlungsquellen, zudem ist ihre Spitzenleuchtstärkeum Größenordnungen höher. Herkömmliche Laserbieten in diesem Spektralbereich nur vergleichsweise geringeLeistungen. Die Spitzenleistungen von 10 Gigawatt pro Pulssind höher als alles, was heute selbst an den größten Plasma-Röntgenlaseranlagen der Welt erreicht werden kann.Die ultrakurzen Pulse von FLASH eignen sich vor allem zurzeitaufgelösten Untersuchung schneller physikalischer und chemischerPhänomene. Etwa die Hälfte aller Experimente beiFLASH nutzen diese Eigenschaft für verschiedenste Untersuchungenwie zum Beispiel der Photodissoziation von Molekülen,schneller struktureller oder magnetischer Phasenübergängeoder der dynamischen Entwicklung dichter Plasmen. Die hoheSpitzenleistung der FEL-Pulse ermöglicht erstmals, die Wechselwirkungkurzwelliger Strahlung mit Materie bei höchstenLeistungsdichten zu studieren. Die hohe Pulsenergie bzw. diegroße Anzahl der Photonen je Strahlungspuls erschließt zahlreicheweitere Anwendungen. Beispielsweise lässt sich einhochaufgelöstes Beugungsbild einer nichtkristallinen Probe miteinem einzigen Laserblitz aufnehmen (siehe Seite 33) oder eslassen sich extrem verdünnte Proben wie hochgeladene atomareIonen untersuchen, wie sie in Plasmen, z. B. in Supernovaüberrestenoder bei Experimenten zur Kernfusion, vorkommen.Der Betrieb der FLASH-Anlage liefert darüber hinaus auchwichtige Erkenntnisse für den zukünftigen Betrieb des EuropeanXFEL (siehe Seite 46). Viele technische und methodischeEntwicklungen werden direkt den Experimenten am EuropeanXFEL zugute kommen.Der Nutzerbetrieb an FLASH wurde im Sommer 2005 aufgenommen.Etwa 100 bis 150 Wissenschaftler aus aller Weltnutzen jährlich diese Quelle für neuartige Experimente, die ineinem Peer-Review-Verfahren ausgewählt werden. Die Ergebnissehaben weltweit große Beachtung gefunden – aufgrundzahlreicher neuer, oft unerwarteter Entdeckungen. In den erstendreieinhalb Jahren resultierten daraus etwa 50 wissenschaftlicheVeröffentlichungen in renommierten Fachzeitschriften.Jüngst wurde zusätzlich zu den Strahlführungen für ultraviolettesund weiches Röntgenlicht eine Strahlführung fürTerahertz (THz)-Strahlung in Betrieb genommen, die ab demJahr 2009 Nutzern zur Verfügung steht. Die THz-Strahlungspulsesind strikt synchron mit den FEL-Pulsen, da sie in einemspeziellen Undulator mit nur 10 Magnetperioden unmittelbarhinter dem FEL-Undulator von ein und demselben Elektronenpaketerzeugt werden. Sie sind genau 10 Wellenlängen lang undmit 1-2 Mikrojoule Pulsenergie intensiver als Pulse anderer44 Synchrotronstrahlung 2009
Quellen, weil die Elektronenpakete kürzer als die Wellenlängesind und aus diesem Grund kohärent abstrahlen. Die Kombinationvon FEL- und der THz-Pulsen ist einzigartig und erlaubtvöllig neuartige Experimente.Für das Jahr 2009 ist ein weiterer Ausbau von FLASH geplant.Der Linearbeschleuniger wird um ein siebtes Beschleunigungsmodulverlängert, um eine höhere Teilchenenergie(1,2 GeV) und damit kürzere Wellenlängen unter 5 Nanometernzu erreichen. Dadurch werden weitere Anwendungsgebiete erschlossen.Zusätzlich werden in den Beschleuniger spezielleBeschleunigungsstrukturen (3,9 GHz) eingebaut, die eine bessereKontrolle der Elektronenstrahleigenschaften erlauben werden.Dies schafft gleichzeitig die Voraussetzung für einSeeding-Experiment, für das zusätzliche Undulatoren undStrahlführungselemente in den Beschleunigertunnel eingebautwerden. In diesem Experiment wird der FEL nicht aus dem Rauschen,sondern mit kohärenten Harmonischen eines optischenLasers gestartet (= Seeding). Dadurch werden FEL-Pulse mitwohl definierter Pulsform erzeugt, die zudem strikt synchronmit dem optischen Seed-Laser sind und damit Experimente miteiner höheren zeitlichen Auflösung gestatten.Als weitere Ausbaustufe von FLASH wird eine Erweiterungder Anlage um einen zweiten Undulator angestrebt, welchervom gleichen Linearbeschleuniger mit Elektronenpaketen versorgtwird. Für dieses FLASH II genannte Projekt ist eine eigeneExperimentierhalle vorgesehen. FLASH II wurde als Ausbauprojektbei der Helmholtz-Gemeinschaft gemeinsam mit demHelmholtz-Zentrum Berlin (BESSY) beantragt. Ziel dieses Ausbausist die Erweiterung der Experimentierkapazitäten beiFLASH, um die starke Nutzernachfrage zu befriedigen und dieEntwicklung neuer Möglichkeiten von Freie-Elektronen-Lasern, die sich durch Anwendung verschiedener Seeding-Schemata(High Gain Harmonic Generation und High HarmonicGeneration) eröffnen. Diese Entwicklungen zielen auf eine dramatischeVerbesserung der Strahleigenschaften ab, insbesonderein Bezug auf die spektrale und zeitliche Pulsform und dieSynchronisation zu externen Lasern. Letztere sind vor allembei Anregungs-Abfrage-Experimenten (pump and probe) miteiner Zeitauflösung von besser als 0,5 Pikosekunden vonBedeutung.In unmittelbarer Nähe zu FLASH wird derzeit das „Centrefor Free-Electron Laser Science“ in Hamburg (CFEL) errichtet,welches von DESY, der Max-Planck-Gesellschaft und der UniversitätHamburg getragen wird. Ziel von CFEL ist die Entwicklungvon Methoden zur Nutzung von Freie-Elektronen-Lasernsowie deren Anwendung auf verschiedenste Forschungsfelder.Die Freie und Hansestadt Hamburg unterstützt CFEL durch dieFinanzierung eines geeigneten Gebäudes für rund 300 Personenin Höhe von circa 50 Millionen Euro.Synchrotronstrahlung 2009 45
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