Forschende am European XFEL haben einen wichtigen Meilenstein bei der Entwicklung einer neuen Generation von Röntgenlichtquellen erreicht. Ein Satz supraleitender Elektromagnete, hergestellt von Bilfinger Nuclear, hat in Tests hervorragende Leistungswerte erreicht, was nun den Weg für den Einsatz dieses Designs in künftigen supraleitenden Undulatoren ebnet. Diese Geräte sollen beschleunigte Elektronen dazu bringen, viel effektiver im Röntgenspektrum zu leuchten, als es der derzeitige Stand der Technik zulässt.
European XFEL verfolgt das Ziel, der weltweit erste Freie-Elektronen-Röntgenlaser zu werden, der supraleitende Undulatoren einsetzt. Diese Undulatoren werden weitreichendere Forschung in Bereichen wie Materialwissenschaften, Chemie, Biologie und Hochenergiedichtephysik ermöglichen, indem sie Röntgenpulse mit deutlich kürzeren Wellenlängen liefern, als dies bisher an XFELs möglich ist. Das Magnetfeld von Undulatoren ist so ausgelegt, dass es hochperiodisch, präzise steuerbar und entlang des Elektronenstrahls äußerst gleichmäßig ist.
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Die bei European XFEL untersuchten Elektromagnete bestehen aus Niob-Titan-Draht (NbTi). Bei der Betriebstemperatur von -269 Grad Celsius ist das Material supraleitend, leitet also sehr hohe elektrische Ströme praktisch ohne Widerstand. Wenn dieser Draht mit höchster Präzision zu Spulen gewickelt und eine Spannung angelegt wird, entsteht ein Elektromagnet.
Die jetzt durchgeführten Magnetfeld-Messungen zeigen, dass die Spulen den erforderlichen Betriebsstrom erreicht und das angestrebte Magnetfeld von 1,82 T erzeugt haben, wobei die für den XFEL-Einsatz erforderliche Feldqualität über die gesamte Länge der Spulen von zwei Metern gegeben war.
„Dies ist ein großer Schritt für unser Programm zur Entwicklung supraleitender Undulatoren“, sagt Sara Casalbuoni, Leiterin der Undulator-Gruppe. „Die erfolgreichen Messungen zeigen, dass die Technik wie vorgesehen funktioniert, und bringen uns dem Einsatz supraleitender Undulatoren bei European XFEL näher.“
Die Magnetfeldmessungen wurden mit dem eigens für diesen Zweck entwickelten Prüfstand SUNDAE1 durchgeführt, der sich am DESY in Hamburg befindet. Vertikal montiert wurde jede Spule für die Dauer der Tests in ein Bad aus flüssigem Helium getaucht. Nach den erfolgreichen Tests sind die Spulen bereit für den Einbau in das supraleitende Undulator-Prototypmodul S-PRESSO.
Die Undulatoren zwingen freie Elektronen auf eine wellenförmige Bahn, wodurch sie Röntgenlicht abgeben. Bislang wurden dafür in der Regel Permanentmagnete verwendet und die Geräte bei Raumtemperatur betrieben. Durch den Einsatz von Supraleitertechnik auf Basis von NbTi-Drähten lassen sich Magnetfelder erzeugen, die etwa dreimal stärker sind als die herkömmlicher Systeme. Nach der Prototypenphase sollen erste supraleitende Undulatoren die Kapazitäten der Beamlines mit hartem Röntgenlicht am European XFEL erweitern und es ermöglichen, Photonenenergien von über 30 keV zu erreichen – potenziell bis zu 60 oder 70 keV. Einer der Tunnel des European XFEL wurde kürzlich für diese zukünftige Installation vorbereitet. Röntgenlicht mit höherer Energie wird es Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen ermöglichen, Materie detaillierter zu untersuchen, etwa dichte Materialien und winzige Strukturen, die heute nur schwer erforschbar sind. [EuXFEL / dre]
