Neue Elektronenquelle für European XFEL
Nach ausführlichen Tests am Photoinjektor-Teststand PITZ in Zeuthen wurde „GUN5“ vergangene Woche in Hamburg angeliefert.
Der Einbau der GUN5.2 in den European XFEL-Injektor 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, muss die Ladungsdichte im beschleunigten Elektronenpaket besonders hoch sein, damit möglichst viele Elektronen mit dem selbst generierten Röntgenlicht im Undulator wechselwirken können. Entscheidend für die Ladungsdichte sind dabei die ersten dreißig Zentimeter des Beschleunigungsprozesses: Damit also das Experiment in der XFEL-Halle in Schenefeld gelingt, müssen die Elektronen in über drei Kilometern Entfernung auf dem DESY-Gelände in der Elektronenquelle auf den ersten dreißig Zentimeter mit den richtigen Parametern erzeugt und beschleunigt werden.
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Die Entwicklung dieser Quellen, im internationalen Laborjargon die „gun“, war und ist deshalb essentiell 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 Photoeffekt aus einer mit einem Halbleitermaterial beschichteten metallischen Kathode heraus. Die Höhe und Breite des Elektronenpakets sind dabei erst einmal durch den Laser bestimmt. Weil sich die Elektronen gegenseitig abstoßen, müssen sie schnellstmöglich auf möglichst hohe Energien beschleunigt werden. Dies passiert mit starken Hochfrequenzfeldern in einer extra dafür designten Kupferkavität. Dabei kommt dem rasanten Beschleunigungsprozess ein relativistischer Effekt zugute, der die Abstoßung der Elektronen untereinander begrenzt. So lassen sich die Elektronenpakete sehr kompakt und damit die Ladungsdichte sehr hoch halten.
Hierbei kommt es auf jedes Detail an, und 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, zusammen mit unzähligen Kolleg:innen in Hamburg. Zum Betriebsstart des European XFEL ist die vierte Generation (GUN4) zum Einsatz gekommen, doch schon während der Inbetriebnahme in 2016 gab es erste Überlegungen zu 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 PITZ-Leiter Frank Stephan. Die für die Experimente sichtbarste Veränderung ist die Verlängerung des Hochfrequenzpulses, und damit der maximalen Länge des Elektronenzuges, um dreißig Prozent. Damit steigt die maximale Zahl der Lichtblitze von 27.000 auf 36.000 pro Sekunde. So können viele Experimente mehr Daten pro Messzeit bekommen, oder mehr unterschiedliche Experimente können durchgeführt werden.
Bevor die neue Quelle auch in Hamburg ihre Qualitäten unter Beweis stellen kann, sind noch viele Montagearbeiten im siebten Untergeschoss des European XFEL-Injektorkomplexes erforderlich. „Wir hoffen, ab November erste Betriebserfahrungen sammeln zu können“, erklärt DESY-Forscher Frank Brinker, der den Einbau und Betrieb der Gun in Hamburg koordiniert. [EuXFEL / DESY / dre]
Weitere Informationen
- Photoinjektor-Teststand PITZ, Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Standort Zeuthen
