European XFEL: Erste Elektronen beschleunigt

Ein wichtiger Teil des Röntgenlasers European XFEL hat den Betrieb aufgenommen: Der Injektor, das 45 Meter lange vorderste Teilstück des supra­leitenden Teilchen­beschleunigers, hat die ersten Elektronen beschleunigt, die dabei annähernd Licht­geschwin­digkeit erreichten. Die Aufnahme des Injektor-Test­betriebs markiert einen wichtigen Meilen­stein auf dem Weg zur Fertig­stellung der Anlage. European XFEL ist eine inter­nationale Forschungs­einrichtung, die einzig­artige Röntgen­blitze erzeugt, mit denen Forscher aus aller Welt völlig neue Einblicke in den Nanokosmos gewinnen können. Die Anlage besteht aus einem zwei Kilometer langen supra­leitenden Linear­beschleuniger für Elektronen, an den sich eine Serie hoch­präziser Magnet­strukturen anschließt, in denen die extrem kurzen und hellen Röntgen­blitze erzeugt werden.

Der Injektor auf dem DESY-Campus in Hamburg-Bahrenfeld hat nun die erste Serie von hoch geladenen Elektronen-Paketen erzeugt und beschleunigt. Die Elektronen benötigten für den 45 Meter langen Weg vom Anfang bis zum Ende des Injektors 0,15 Mikro­sekunden und erreichten dabei annähernd Licht­geschwin­digkeit. Der Injektor formt die Elektronen-Pakete und beschleunigt sie. Im sich anschließenden zwei Kilometer langen Linear­beschleuniger, der derzeit noch montiert wird, erreichen die Elektronen immer höhere Energien. Diese Elektronen erzeugen dann in speziellen Magnet­strukturen die Licht­blitze für Experimente, von denen zahlreiche neue Impulse für die Forschung in den Bereichen Medizin, Energie­produktion und -speicherung, Material­forschung und vielen weiteren Gebieten erwartet werden.

Der Aufbau des Injektors ähnelt stark dem im Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY, dem Prototyp des European XFEL, der 2005 als Nutzer­anlage in Betrieb gegangen ist. Mehrere Milliarden Elektronen werden aus einer Elektrode aus Cäsium­tellurid heraus­geschlagen, auf die ein ultra­violetter Laserpuls trifft. Sie bilden ein Elektronen­paket, das durch Hoch­frequenz­wellen beschleunigt und durch intensive Magnet­felder zusammen­gehalten wird. Die Beschleunigung erfolgt zunächst in einem normal­leitenden, aus Kupfer gefertigten Hohl­raum­resonator, anschließend sorgen zwei supra­leitende Beschleuniger­module für eine weitere Energie­erhöhung. Diese beiden Module werden mit flüssigem Helium auf minus 271 Grad Celsius abgekühlt, damit die einge­bauten Beschleunigungs­strukturen supra­leitend werden und eine besonders effektive Beschleunigung ermöglichen. Diese erste Beschleunigungs­strecke ist essentiell für die Eigen­schaften des Elektronen­strahls, damit er weiter hinten in der Anlage die Röntgen­blitze erzeugen kann, mit denen Forscher Proben mit atomarer Auflösung unter­suchen können.

In den nächsten Wochen und Monaten wird der Injektor intensiv getestet, während der übrige Linear­beschleuniger aufgebaut wird. Der nächste große Meilen­stein ist die für Ende 2016 geplante Beschleunigung von Elektronen über 2,1 Kilometer bis zur Betriebstelle Osdorfer Born. Der Nutzer­betrieb soll 2017 beginnen.

DESY / RK