European XFEL: Am Hamburgischen Röntgenlaser wird es kalt

Die Aussichten für Hamburg-Bahrenfeld: frostig bis in den April – sehr frostig, nämlich bis 2 Kelvin oder minus 271 Grad Celsius. Auf diese Temperatur wird dieser Tage die Beschleunigersektion des European XFEL heruntergekühlt, damit im Frühjahr an der Anlage wieder der wissenschaftliche Betrieb beginnen kann.

Der ruht seit dem Sommer: Am 21. Juni sei begonnen worden, die Anlage aufzuwärmen, sagt Winfried Decking, Leiter des Beschleuniger-Teams am European XFEL. Seither wurde ein neuer Elektroneninjektor eingebaut, viele Standardwartungsarbeiten durchgeführt, für die sonst keine Zeit bleibt, und ein zweites Kühlsystem eingebaut.

Nun wird die Beschleunigersektion des XFEL wieder auf 2 Kelvin heruntergekühlt. In dieser Zeit dürfe aus Sicherheitsgründen niemand in den Tunnel – falls im Kühlsystem ein Schaden auftrete, erläutert Decking. Im Betrieb ist der Tunnel wegen möglicher Strahlenbelastung ohnehin gesperrt. Letzte Chance also, noch einmal mehrere Stockwerke in die Tiefe unter Hamburg zu fahren und einen Blick auf den stärksten Röntgenlaser der Welt zu werfen.

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Besuch am European XFEL in Hamburg

Arbeit am XFEL: Nach mehrmonatigen Wartungs- und Aufrüstungsarbeiten wird der Röntgenlaser jetzt wieder auf 2 Kelvin heruntergekühlt (Archivfoto). (Bild:

European XFEL

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Eine große Anlage für den Blicke ins ganz Kleine

Der European XFEL – die Abkürzung steht für X-Ray Free-Electron Laser (Röntgen-Freie-Elektronen-Laser) – erzeugt Röntgenblitze aus einem Elektronenstrahl im Femtosekundenbereich. Um bis auf die kleinste, die molekulare und atomare Ebene hinabzusteigen, bedarf es einer riesigen Anlage.

Der European XFEL liegt im Boden unter Hamburg und der Nachbargemeinde Schenefeld. Er ist knapp dreieinhalb Kilometer lang, sein verzweigtes Tunnelsystem ist zusammen fast 6 Kilometer lang. Hier experimentieren Forscher der unterschiedlichsten Disziplinen: Physik, Astrophysik, Chemie oder Materialwissenschaften ebenso wie Biologie, Medizin oder Pharmazie. An dem 1,5 Milliarden Euro teuren Projekt sind zwölf Nationen beteiligt. Die Anlage ist seit 2017 in Betrieb. Seither ist es die erste längere Wartungsperiode, sonst steht der XFEL drei bis vier Wochen still.

Der Anfang des XFEL ist in Hamburg auf dem Gelände des Deutschen Elektronen Synchrotrons (DESY), das dieser Tage den 66. Geburtstag feiert. Hier steht der Injektor, auch Gun genannt, und der 1,7 Kilometer lange Linearbeschleuniger, jener Teil, der jetzt heruntergekühlt wird. In der Gun wird ein etwa Cent-großes Kupferstück mit einem Laser beschossen. Dadurch wird etwa eine Milliarde Elektronen aus dem Kupfer herausgelöst, die sich dann als geordnetes Paket auf die Reise gen Schenefeld machen sollen.

Elektronen reisen mit fast Lichtgeschwindigkeit

Allerdings: Elektronen sind negativ geladen. Das bedeutet, sie stoßen sich ab. „Da hätte man nicht so viel gewonnen“, sagt Decking. „Der Trick von so einer Quelle ist, Elektronen erzeugen und dann sie ganz schnell auf Lichtgeschwindigkeit bringen.“ Das passiere in einer wenige Zentimeter großen Kavität. Diese verlässt ein etwa zwei Zentimeter großes Bündel Elektronen mit fast Lichtgeschwindigkeit, genau genommen mit 99,99999996 Prozent Lichtgeschwindigkeit.

Dann werden die Pakete von etwa zwei Zentimetern auf 20 Mikrometer komprimiert. Das erledigen Quadrupolmagnete, Magnete mit vier Polen, die wie Fokussierungslinsen die Strahlgröße manipulieren.

Von dort geht es durch den Linearbeschleuniger, eine Anordnung von Hohlraumresonatoren, großen gelben, 80 Zentimeter Objekten. Im Innern verbergen sich Strukturen aus Niob, in denen die Elektronenpakete konzentriertsind. Niob wird bei zwei Kelvin supraleitend, deshalb das Heliumkühlsystem. Die Helium-gekühlten Resonatoren beschleunigen die Elektronenpakete auf den folgenden 1,7 Kilometern bis zu 17,5 Gigaelektronenvolt.

„Wir könnten in einem warmen Beschleuniger etwa 100 Elektronenpakete pro Sekunde beschleunigen. In einem kalten Beschleuniger können wir im Moment etwa 27.000 Elektronenpulse pro Sekunde beschleunigen“, erläutert XFEL-Chef Thomas Feurer.