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Der vermutlich präziseste Spiegel der Welt ist bei European XFEL in der Metropolregion Hamburg eingetroffen. Der 95 Zentimeter lange Spiegel ist ein wichtiges Bauteil des Röntgenlasers, der 2017 in Betrieb gehen soll. Auf den ersten Blick sieht er einem normalen Spiegel durchaus ähnlich, ist jedoch extrem flach und glatt. Die größten Unebenheiten auf seiner Oberfläche haben eine Dimension von gerade einmal einem Nanometer, einem milliardstel Meter. Diese Präzision entspräche einer 40 Kilometer langen Straße, deren maximale Unebenheit gerade einmal so groß ist wie der Durchmesser eines Haars.
Der Röntgenspiegel ist der erste von mehreren, die an unterschiedlichen Stellen der Anlage zum Spiegeln und Filtern des Röntgenlaserstrahls eingebaut werden. Sie sind das Ergebnis eines langen Forschungs- und Entwicklungsprozesses, an dem Institute und Firmen in Japan, Frankreich, Italien und Deutschland beteiligt waren. Der European XFEL wird es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus aller Welt ermöglichen den Nanokosmos zu erforschen, darunter ultraschnelle chemische Reaktionen, komplexe Moleküle oder extreme Materiezustände.
Aufgebaut sind die 95 Zentimeter langen aber nur 5,2 Zentimeter hohen Spiegel aus einem einzigen Silizium-Kristall, den Partnerunternehmen in Frankreich und Italien hergestellt haben. Die größte Herausforderung bestand jedoch darin, den Spiegel auf Nanometer-Genauigkeit präzise zu polieren. Das Optikunternehmen JTEC in Osaka, Japan, hat dafür rund ein Jahr lang eigens eine Methode entwickelt, bei denen sogar einzelne Lagen von Atomen durch ein strömendes Flüssigkeitsgemisch entfernt werden können. Ein neues Gebäude war erforderlich, um die außergewöhnlichen Standards für den European XFEL zu erreichen, die es dem Unternehmen nun ermöglichen, auch andere Röntgenlaser-Forschungseinrichtungen wie den LCLS in Kalifornien oder SwissFEL in der Schweiz zu beliefern.
„Als wir begonnen haben uns mit dem Thema zu beschäftigen, haben wir schnell gemerkt, dass Spiegel mit dieser Präzision noch nirgends auf der Welt existieren“, erinnert sich Harald Sinn, der die Röntgenoptik-Gruppe am European XFEL leitet. „Nun haben wir den weltweit ersten Spiegel mit diesen herausragenden Eigenschaften.“
Die Spiegel müssen so präzise sein, um die Lasereigenschaften des European XFEL nicht negativ zu beeinflussen, denn diese sind eine Voraussetzung für scharfe Bilder mit atomarer Auflösung. Simulationen hatten zuvor gezeigt, dass jede Oberflächen-Abweichung von mehr als einem Nanometer die Qualität des Laserlichts negativ beeinflussen würde.
Einige Spiegel dieser Serie werden verwendet, um die Röntgenstrahlen von den unterirdischen Tunneln um einige Zehntelbruchteile von Grad präzise zu den einzelnen Instrumenten zu lenken, die in der ebenfalls unterirdischen Experimentierhalle aufgebaut werden. Dank der Spiegel ist ein paralleler Betrieb mehrerer Instrumente möglich, wodurch der European XFEL der Röntgenlaser mit der weltweit höchsten Kapazität wird. Ähnliche Spiegel fokussieren den Röntgenlaserstrahl auch in den Instrumenten selbst.
Der jetzt ausgelieferte Spiegel dient jedoch einem anderen Zweck: Er wird das erzeugte Röntgenlicht so filtern, dass nur Licht der gewünschten Wellenlängen bei den Experimenten zum Einsatz kommt. Licht kürzerer Wellenlängen, das in den lichterzeugenden Magnetstrukturen der Anlage, den Undulatoren, als unerwünschtes Nebenprodukt entsteht, kann den Spiegel passieren, ohne abgelenkt zu werden. Diese Strahlung wird hinter dem Spiegel von einem Absorber aus Borcarbid und Wolfram aufgefangen.
Der Spiegel wird im nächsten Schritt bei European XFEL und dem Helmholtz-Zentrum Berlin noch einmal genau vermessen und geprüft. Drei weitere Spiegel derselben Serie sollen im Mai und Juni in Hamburg eintreffen.
Ein European XFEL-Wissenschaftler prüft den neuen Röntgenspiegel.
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German
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