Auricher Wissenschaftstage –
Forum einer dritten Kultur
Praktikum am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg
vom 11. bis zum 21. April 2011
Von Take Weiland
Mein Praktikum absolvierte ich im Zeitraum vom 11.04. bis zum 21.04. beim Deutschen Elektronen Synchrotron (Desy) in Hamburg. Den wesentlichen Teil meiner Praktikumszeit war ich dem Hamburger Synchrotronstrahlungslabor (Hasylab) und dem dort angegliederten Beschleuniger Flash zugeteilt. Bei den dort durchgeführten Experimenten wird der Effekt der Synchrotronstrahlung ausgenutzt, die entsteht, wenn Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden und dann durch dazu erforderliche starke Magnenten in eine Kurvenbahn gezwungen werden. Dieser Effekt ist ursprünglich von herkömmlichen Beschleunigern bekannt, die in der Regel die Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken haben. Dort wurde entdeckt, dass in den Kurven die Elektronen die Synchrotronstrahlung abgaben und so Energie verloren – ein hier eher unerwünschter Effekt.
Über der Flash-Experimentierhalle
Bei Flash macht man sich die Synchrotronstrahlung zu Nutze, indem man mit ihr, wie mit „normalem“, also sichtbarem, Licht, Gegenstände betrachtet. Die Strahlung wird bei Flash in sehr kurzen Pulsen (≈ 100 Femtosekunden1) und mit sehr geringer, röntgenähnlichen Wellenlänge erzeugt. Weiterhin erzeugt Flash im Gegensatz zu den herkömmlichen Ringbeschleungigern einen Strahl mit einem sehr geringen Wellenspektum, ähnlich dem eines Lasers. Dadurch können auch Teilchen in sehr kleinen Maßstäben, wie Moleküle, betrachtet werden, denn je kürzer die Wellenlänge einer Strahlung / einer Lichtquelle ist, desto kleinere Objekte lassen sich damit betrachten.
Um nun beispielsweise ein Molekül mit den Flash-Pulsen sichtbar zu machen, bringt man es in eine Vakuumkammer und beschießt es dann mit Flash-Blitzen. Die Lichtwellen von Flash werden dann an dem Molekül gebrochen, wie Wellen in einem See, die auf einen Stein treffen. Mit einer Fotoplatte hinter dem Molekül werden die gebrochenen Lichtwellen „fotografiert“ und aus dem erzeugten Muster die Struktur des Moleküls errechnet. Das Hauptproblem bei dieser Art von Versuchen ist, dass die benötigten Flash-Pulse um den Effekt zu erzeugen eine solch hohe Energie haben müssen, dass die Moleküle in kürzester Zeit zerstört werden. Die Kunst besteht darin, die Pulse so kurz zu setzen, dass eine Messung noch durchgeführt werden kann, bevor das Molekül explodiert.
Das erste Bild, das mit Flash „fotografiert“ wurde, vor dem Beschuss mit FEL-Licht.
Das hinter dem Bild auf einer Fotoplatte erzeugte Beugungsbild
Das aus dem Beugungsbild berechnete Originalbild
Die Baustelle des European Xfel, der Nachfolger von Flash
Neben Flash gibt es auf dem Desy-Gelände noch weitere Beschleuniger: Petra III, früher nur Petra (Positron-Elektron-Tandem-Ring-Anlage), dient heute nur noch der Synchrotronstrahlungserzeugung; Hera (Hadron-Elektron-Ring-Anlage) ist inzwischen stillgelegt, ursprünglich diente sie zur Beschleunigung und zur Kollision von Elektronen, wie auch der Vorläufer von Petra III. Auch Doris ( Doppel-Ring-Speicher) diente zuerst der Kollision von Elektronen und deren Antiteilchen (Positronen) und wurde, wie Petra, später zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung umgebaut. Der Nachfolger von Flash, European Xfel, ist noch im Bau.
Flash ist der erste Beschleuniger bei Desy, der die Elektronen nicht kreisförmig, sondern gradlinig beschleunigt. Um dennoch Synchrotronstrahlung zu erhalten, werden die Elektronen auf ihrer Flugbahn durch sogenannte Undulatoren geschickt, die sie sozusagen auf eine Zickzackbahn zwingen. In den Kurven dieser Bahn strahlen die Elektronen die Synchrotronstrahlung ab.
Die Objekte, die mit Flash untersucht werden, sind sehr klein, daher muss der Laserstrahl sehr genau justiert werden. Dies geschieht am Computer mit einer bei DESY entwickelten Software. Eine solche Justage des Strahls konnte ich im Laufe meines Praktikums durchführen:
Bei der Justage des Lasers
Der von mir justierte Laserstrahl im Logbucheintrag
Auch die Höhe der Messapparaturen muss genauestens eingestellt werden.
Vor dem Besuch im Reinraum hat man Spezialkleidung anzulegen.
Ein wichtige Grundvorraussetzung in der Experimentalphysik ist die Technik zur Erzeugung eines möglichst guten Vakuums. Welche Sorgfalt dafür unerlässlich ist und welche Schwierigkeiten dabei gemeistert werden müssen, um damit einen reibungslosen Ablauf der Experimente zu gewährleisten, lernte ich während meiner Tätigkeit am FLASH kennen.
In meiner Zeit am Desy hatte ich außerdem die Gelegenheit mit einem Wissenschaftler über die Verarbeitung von hochfrequenten Signalen am Computer und die dabei auftretenden Probleme und mögliche Lösungen zu diskutieren. In diesem Zusammenhang entwarf ich mit ihm zusammen eine Schaltung, die ein häufiges Problem bei den Flash-Experimenten lösen soll.
Mein Praktikum bei Desy hat mir viel Spaß gemacht und sich auf jeden Fall gelohnt. Vielleicht werde ich ja sogar einen Beruf in der Physik ergreifen.
Zur Verdeutlichung: In 100 fs legt Licht eine Strecke von gerade einmal 30 μm zurück, das entspricht in etwa der Breite eines Haares.