Entwurf einer kostengünstigen Anlage für Freie-Elektronen-Röntgenlaser

Viele Fortschritte in der Strukturwissenschaft seit den 1970er Jahren wurden durch die Untersuchung von Materialien mit Synchrotronstrahlung erzielt, also hochenergetischen Röntgenstrahlen, die durch die Beschleunigung hochenergetischer Elektronen erzeugt werden. Die neueste Generation solcher Quellen, Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (XFEL), sind weitaus leistungsstärker als ihre Vorgänger, aber aufgrund ihrer hohen Kosten nur für internationale Konsortien und einige wenige reiche Länder zugänglich.

Jetzt hat eine internationale Expertengruppe einen Entwurf für ein kompakteres und kostengünstigeres XFEL-System vorbereitet, das kleinen Ländern und möglicherweise einigen einzelnen Laboren zugänglich ist. Das Design ist veröffentlicht In Die Sonderthemen des European Physical Journal.

Die ersten drei Generationen dieser hochenergetischen Röntgenquellen wurden mit Synchrotronstrahlungsquellen erzeugt: Teilchenbeschleunigern, in denen sich Elektronen auf einer festen Kreisbahn bewegen und zur Emission von Photonen elektromagnetischer Strahlung angeregt werden – typischerweise, aber nicht immer, im X -Strahlenreichweite – durch starke Magnete.

Bei der Freie-Elektronen-Lasertechnologie hingegen werden Elektronen entlang einer linearen Bahn zwischen einer Reihe starker Magnete beschleunigt, die als Undulator bezeichnet werden. Dadurch werden die Elektronen dazu angeregt, sehr kurze Impulse außergewöhnlich energiereicher Röntgenstrahlung zu erzeugen, die weitaus intensiver sind als die von Synchrotronquellen erzeugten.

An der CompactLight-Designstudie war ein Konsortium aus 31 Institutionen beteiligt, die größtenteils in Europa ansässig sind und 23 akademische oder öffentliche Laboratorien sowie fünf private Unternehmen umfassen.

Das Konsortium bezog die Gemeinschaft potenzieller akademischer und industrieller Anwender in die Gestaltung ihrer Spezifikationen ein, sodass diese soweit wie möglich für aktuelle und geplante zukünftige Anwendungen in den Bereichen Physik, Chemie, Materialwissenschaften und Strukturbiologie geeignet sind.

Der veröffentlichte Entwurf ist knapp 500 m lang, also etwa zwei Drittel der Länge des SwissFEL in der Nähe von Zürich. Noch wichtiger ist, dass der Bau für etwa 7,5 Millionen Euro möglich ist, ein Bruchteil der Kosten der Schweizer Anlage. Nach dieser Spezifikation gebaute XFEL-Quellen sollten diese innovative und wichtige Technologie Tausenden weiteren Wissenschaftlern weltweit zugänglich machen.