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Vergangene Woche wurde eine neue Elektronenquelle für den European XFEL bei DESY in Hamburg angeliefert. Zuvor war sie am Photoinjektor-Teststand PITZ in Zeuthen auf Herz und Nieren getestet worden.
„Die Elektronenquelle der nächsten Generation ist für unseren Beschleuniger von entscheidender Bedeutung, da sie eine höhere Stabilität und Effizienz ermöglicht. Sie verbessert die Leistung der Anlage und treibt damit direkt die wissenschaftlichen Entdeckungen voran. Damit unterstreicht European XFEL seine Rolle als weltweit führende Forschungseinrichtung“, betont Thomas Feurer, Vorsitzender der Geschäftsführung von European XFEL, die Bedeutung dieser Komponente. Die Bereitstellung noch hellerer, schnellerer und stabilerer Röntgenblitze ab Anfang 2026 durch den European XFEL ermöglicht es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus aller Welt, in Zukunft noch besser Materie auf atomarer Ebene zu untersuchen – von der Dynamik chemischer Reaktionen und dem Verhalten von Quantenmaterialien bis hin zu den Strukturen von Viren oder Biomolekülen. „Mit dem modernisierten Beschleuniger erweitert European XFEL die Grenzen von Wissenschaft und Technologie und ermöglicht Forschenden noch besser, die Bausteine des Lebens und unserer Welt zu erforschen“, sagt Feurer.
Der Einbau der sogenannten GUN5.2 in den Injektor von European XFEL während der aktuellen langen Wartungsperiode des Röntgenlasers ist das Ergebnis einer intensiven mehrjährigen Entwicklung und wird direkten Einfluss auf die Experimentierkapazitäten am weltweit größten Röntgenlaser haben.
Damit ein Freie-Elektronen-Laser funktioniert, kommt es auf eine Größe besonders an: die Ladungsdichte in den beschleunigten Elektronenpaketen. Diese muss besonders hoch sein, um ein möglichst intensives Röntgenlicht zu erhalten. Entscheidend für die Ladungsdichte der Elektronenpakete und damit für die Güte des Röntgenlichts sind die ersten 30 Zentimeter des Beschleunigungsprozesses.
Die Entwicklung dieser Quellen, im internationalen Laborjargon „Gun“ genannt, war und ist deshalb essenziell für Freie-Elektronen-Laser, insbesondere für supraleitende Beschleuniger wie bei European XFEL oder FLASH mit ihrer hohen Einschaltdauer.
In einer XFEL-Gun löst ein intensiver Laser Elektronen durch den sogenannten Photoeffekt aus einer mit einem Halbleitermaterial beschichteten metallischen Fläche – der Kathode – heraus. Für die Entdeckung des Photoeffekts bekam Albert Einstein übrigens seinen Nobelpreis in Physik – nicht für die von ihm formulierte Relativitätstheorie. Weil sich die Elektronen aber gegenseitig abstoßen, müssen sie so schnell wie möglich auf möglichst hohe Energien beschleunigt werden. Dies passiert mit starken hochfrequenten elektrischen Feldern in einer extra dafür designten Kupferkavität. Dabei kommt dem rasanten Beschleunigungsprozess ein relativistischer Effekt zugute, der die Abstoßung der Elektronen untereinander begrenzt. So können die Forschenden die Elektronenpakete sehr kompakt und damit die Ladungsdichte sehr hoch halten.
Hierbei kommt es auf jedes kleinste Detail an. So hat die Entwicklung der Quellen bereits zusammen mit der Erforschung der supraleitenden Beschleunigertechnologie in den 1990ern begonnen, als DESY entschieden hatte, einen Freie-Elektronen-Röntgenlaser zu bauen.
Federführend in der Quellenentwicklung ist das PITZ-Forschungsteam in Zeuthen. Zum Betriebsstart des European XFEL ist die 4te Generation (GUN4) zum Einsatz gekommen, doch schon während der Inbetriebnahme im Jahr 2016 gab es erste Überlegungen für Verbesserungen. „Herausgekommen ist jetzt die fünfte Gun-Generation mit weiter optimierter Form, Integration einer Feldmesssonde, besserer Kühlung, verbesserter Mechanik zum Austausch der Kathoden und einem doppelten Einkoppelfenster. Damit wird die Gun in Zukunft noch stabiler und zuverlässiger betrieben“, erklärt Frank Stephan, Leiter von PITZ.
Die für die Experimente spürbarste Veränderung ist die Verlängerung des Hochfrequenzpulses, und damit der maximalen Länge des Elektronenzuges, um rund ein Drittel. Damit steigt die maximale Zahl der Lichtblitze von 27 000 auf 36 000 pro Sekunde. So können die Experimente in derselben Zeit mehr Daten aufnehmen, oder mehrere unterschiedliche Experimente können parallel durchgeführt werden.
Bevor die neue Quelle im Beschleuniger ihre Qualitäten unter Beweis stellen kann, sind noch viele Montagearbeiten im siebten Untergeschoss des Injektorkomplexes von European XFEL erforderlich. „Wir hoffen, ab November erste Betriebserfahrungen sammeln zu können“, erklärt DESY-Forscher Frank Brinker, der den Einbau und Betrieb der Elektronenquelle koordiniert.
„Mit der neuen Elektronenkanone werden wir die Betriebssicherheit und Leistung des bereits extrem gut funktionierenden Beschleunigers weiter verbessern. Ich bin sehr stolz auf das, was unsere Teams geleistet haben“, sagt Wim Leemans, Direktor des DESY-Beschleunigerbereichs.
European XFEL erhielt eine Elektronenquelle der nächsten Generation. Eingebaut wurde sie im Injektor ...
Quelle: Sven Kamin
Copyright: © European XFEL
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler, jedermann
Elektrotechnik, Maschinenbau, Physik / Astronomie, Werkstoffwissenschaften, Wirtschaft
überregional
Forschungs- / Wissenstransfer, Forschungsprojekte
Deutsch
European XFEL erhielt eine Elektronenquelle der nächsten Generation. Eingebaut wurde sie im Injektor ...
Quelle: Sven Kamin
Copyright: © European XFEL
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