Strahlzeit am FLASH

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Gedanken eines Experimentalphysikers
Quantenwelt

In meinem zweiten Artikel für Wissenslogs.de möchte ich ein wenig über meine erste Strahlzeit am FLASH berichten. Strahlzeiten sind immer die interessantesten aber auch anstrengendsten Wochen unseres Arbeitsalltags, dabei haben die Strahlzeiten am FLASH den besonderen Reiz, dass es sich um Experimente an einer weltweit einmaligen Maschine handelt. Aber vielleicht berichte ich erstmal ganz von vorne. Denn wer weiß schon was eine Strahlzeit ist?

Seit 1998 arbeite ich im Bereich der Forschung mit Synchrotronstrahlung. Zunächst an der Universität Hamburg, dann am HASYLAB (dem Synchrotronstrahlungslabor am DESY), dann fünf Jahre am MAXLAB in Schonen und jetzt wieder in Hamburg am CFEL. Synchrotronstrahlungsquellen sind Maschinen, die sich eine einzelne Arbeitsgruppe nicht leisten könnte. Die moderne Synchrotronstrahlungsquelle BESSY in Berlin hat 46 verschiedene Strahlrohre, an denen Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge bereitgestellt wird. Nur wenige dieser Strahlrohre werden jedoch exklusiv von einer Arbeitsgruppe benutzt. Jede Forschungsgruppe weltweit kann sich mit einem gut begründeten Projekt um Nutzungszeit für ein Strahlrohr bewerben. Diese Bewerbungen werden von wissenschaftlichen Gremien bewertet und dann werden den als gut befundenen Projekten einige Wochen im Jahr zur Nutzung des Strahlrohres zur Verfügung gestellt. Solch eine Messperiode bezeichnen wir als Strahlzeit.

Strahlzeiten hatte ich schon sehr viele. Vor allem am MAXLAB haben wir sehr viel Zeit mit der Untersuchung von Atomen, Molekülen und Clustern verbracht. Alkaliatome haben wir dabei mit einem optischen Laser angeregt und dann mit der weichen Röntgenstrahlung des Elektronen-Speicherringes MAX II untersucht. Dabei haben wir die Energien der austretenden Elektronen analysiert und daraus auf die quantenmechanischen Wechselwirkungen im Atom geschlossen. Im Atom bewegen sich Elektronen nicht auf irgendwelchen Plantenbahnen. Sie befinden sich in quantenmechanischen Zuständen, die nicht für jedes einzelne Elektron unabhängig berechnet werden können. Man muss vielmehr die Wechselwirkungen der Elektronen untereinander berücksichtigen. Das Ganze ist mehr als die Summe der Teile. Modelle zur Berechnung vieler Elektronen werden mit großem Erfolg in der Arbeitsgruppe Elektronenspektroskopie der Universität Oulu, der drittnördlichsten Universität der Welt, erstellt und berechnet. In dieser Arbeitsgruppe habe ich drei Jahre gearbeitet und mit ihr viele meiner Strahlzeiten durchgeführt.

Eine Strahlzeit am MAXLAB dauert immer ganze Wochen. Meistens haben wir zwei Wochen hintereinander bekommen und konnten in diesen Wochen über das Strahlrohr I411 verfügen. Die Strahlzeiten beginnen immer mit dem Aufbau der Messapparatur. Die Geräte wurden mit einem Kleinbus der Universität aus Oulu nach Lund gefahren, wobei die Ostsee auf der Höhe von Stockholm auf der Fähre überquert wurde. Solch ein Transport dauert zwei ganze Tage. Am Montag der ersten Strahlzeit-Woche wird das Gerät in das Strahlrohr eingebaut. Dabei ist es notwendig sehr schwere Vakuumkammern auf weniger als einen Millimeter genau auszurichten und fest mit an das Vakuumrohr des Synchrotrons anzuflanschen. Strahlung im Bereich von 60 Elektronenvolt (das sind etwa 20 Nanometer Wellenlänge) kann nur im Vakuum transportiert werden. Sie wird deshalb auch als Vakuum-Ultraviolette Strahlung bezeichnet. Nach der Ausrichtung der Vakuumkammer muss alles verkabelt werden, die Computer werden zur Datennahme vorbereitet und die Luft wird aus der Apparatur herausgepumpt. (Unser Vakuum liegt im Bereich von einigen Milliardstel Bar.)

Zugleich muss der Laser auf die richtige Wellenlänge abgestimmt und der Strahlengang des Lasers zum Atomstrahl aufgebaut werden. Der Atomstrahl wird einfach durch erhitzen des Metalls in einem Tiegel erzeugt. Bei Alkali-Atomen, also Natrium, Kalium, Rubidium und Cäsium, reichen dafür moderate Temperaturen um 120 Grad. Metalle wie Aluminium oder Eisen zu verdampfen ist schon etwas schwieriger, weil man den Ofen bis zur Weißglut erhitzen muss. Aber auch das ist mit der in Oulu entwickelten Technik machbar. Wenn dann der Laser durch den Atomstrahl läuft, kann man die Atome zum leuchten anregen. Das geht allerdings nur, wenn man genau die Resonanzfrequenz der Atome trifft. Es ist der schönste Augenblick zu Beginn einer Strahlzeit, wenn man in der Überwachungskamera den Strahl deutlich leuchtender Atome zum erstem Mal sieht.

Die eigentliche Messperiode beginnt am MAXLAB immer erst am Dienstag, wenn die Synchrotronstrahlung zur Nutzung bereitgestellt wird. Von da an teilen wir die Arbeitsgruppe in zwei Schichten ein, um Tag und Nacht messen zu können. 16-Stunden-Schichten sind in Strahlzeiten keine Seltenheit. Die Arbeit ist dabei sehr abwechslungsreich. Zeiten der Datennahme wechseln sich unregelmäßig mit Zeiten, an denen das Experiment umgebaut oder verbessert werden muss, ab. Da es sich um Grundlagenforschung handelt und viele Methoden noch in der Entwicklung sind, nimmt auch die Fehlersuche und das Probieren verschiedener Methoden einen großen Teil der Zeit in Anspruch.

Während die Gruppe bei der Datennahme relativ entspannt am Rechner sitzt und der Entstehung von Spektren auf dem Bildschirm zusieht oder bereits die ersten Ergebnisse diskutiert und sich über neue Ideen austauscht, muss in anderen Zeiten richtig körperlich gearbeitet werden. Die Bauteile der Vakuumkammer bestehen aus Edelstahl und müssen von Hand eingesetzt und verschraubt werden. Mehr Feingefühl braucht man, wenn die kleinen Einzelteile der Öfen zusammengesetzt und verkabelt werden müssen oder wenn der Laser neu justiert wird. Strahlzeiten an konventionellen Synchrotrons sind nie langweilig.

Ende Februar hatte ich nun meine ersten Strahlzeiten am FLASH. FLASH bedeutet Freier-Elektronen-Laser in Hamburg. Auch wenn dieses Akronym etwas künstlich ist, passt der Name ausgezeichnet. Die Maschine produziert extrem kurze Lichtimpulse von nur 10-15 Femtosekunden Länge. Eine Femtosekunde ist nur ein Milliardstel einer Millionstel Sekunde, also ziemlich kurz. Licht kommt in dieser Zeit nichtmal einen Mikrometer weit und die Bewegungen der einzelnen Atome innerhalb von Molekülen oder Festkörpern ist im Vergleich zu dieser kurzen Belichtungszeit langsam. Die extrem kurzen Blitze des FLASH können damit auch schnelle Bewegungen einfrieren. Zugleich ist das weiche Röntgenlicht von FLASH unglaublich intensiv. In einem Impuls von 10 Femtosekunden steckt so viel Energie, wie bei einer konventionellen Quelle (zum Beispiel am MAXLAB) in einer ganzen Sekunde. Die Art der Experimente, die wir dort durchführen, werden in dieser Pressemitteilung des DESY näher erklärt.

Aber ich wollte ja von den ersten Eindrücken der Strahlzeit berichten. Zunächst war mein Eindruck, dass es gar nicht so verschieden ist. Auch am FLASH gibt es die Aufbauphase, nötige Umbauten und Fehlersuchen und die eher ruhige aber produktive Phase der Datennahme. Nur ist FLASH eine weltweit einmalige Maschine und die Strahlzeit muss daher sehr effektiv genutzt werden. Die einzelnen Gruppen erhalten daher keine ganzen Wochen Strahlzeit, sondern einzelne 12-Stunden-Schichten. Von sieben bis sieben. Da FLASH seine Röntgenblitze fächerförmig an verschiedene Messstationen verteilen kann, kann das Experiment vor der ersten Schicht bereits aufgebaut werden und man legt die vorausplanbaren Umbauarbeiten auf die Zeiten zwischen den einzelnen Schichten.

Die in der Strahlzeit eingesetzte Vakuumkammer kenne ich noch ganz gut aus meiner Postdoc-Zeit am HASYLAB. Damals haben wir das erste Experiment am Vorgänger, der TESLA-Test Facility, durchgeführt. Der Aufbau im Vakuum ist dagegen noch neu für mich und besteht aus Mikro-Positioniersystemen, mit denen man die zu untersuchenden Proben auf besser als einen Mikrometer genau in den Strahl ausrichten kann. Auf einem Probenhalter befinden sich dabei viele kleine Fenster, die mit den Proben bestückt sind und einzeln in den Brennpunkt des Röntgenlasers hineingefahren werden können. Ein weiteres Positioniersystem hält verschieden große Blenden bereit, die bei Bedarf in den Strahl gefahren werden können. Das Einsetzen und festschrauben aller Komponenten auf begrenztem Raum fordert einiges an Geschicklichkeit, vor allem weil man nahe an der ungeschützten Oberfläche einer CCD-Kamera operiert, die es einem nicht verzeiht, wenn man ein Schräubchen auf sie fallen lässt oder sie auch nur mit der latexbehandschuhten Hand berührt.

Wie geht es jetzt weiter? Wir hatten erst drei Schichten am FLASH und haben bisher nur wenige Daten aufgenommen. Jetzt werden wir die Strahlzeitschichten im März vorbereiten. In Zusammenarbeit mit Biologen aus Heidelberg und Uppsala (Schweden) werden zum Beispiel biologische Proben vorbereitet, die dann in den Nachtschichten von kommenden Montag bis zum elften März im Licht des FLASH untersucht werden. Auch chemisch hergestellte Nanopartikel, also Objekte, die kleiner als ein Mikrometer sind, werden erzeugt und untersucht. Die Datenauswertung wird uns noch einige Zeit beschäftigen. Die Rohdaten werden an die einzelnen Arbeitsgruppen verteilt und ausgewertet. Ergebnisse werden zunächst intern diskutiert und überprüft und dann geht es daran Publikationen für Fachzeitschriften zu schreiben und nach erneuter ausführlicher Diskussion unter den Koautoren bei einer Zeitschrift einzureichen. Erst wenn die Artikel dann von den Herausgebern und von Gutachtern als gut befunden werden, werden die Ergebnisse veröffentlicht werden. Dann werde ich hier davon berichten. Doch bis dahin liegt noch viel Arbeit vor uns…

Joachim Schulz

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Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

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