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Automobil Forum Berlin13. Januar 2002

jochen.schneider@desy.de

TESLA – Licht der Zukunft

Forschung mit dem Freie-Elektronen Laser

„Mit dem Röntgen-FEL werden einige der einzigartigen Eigenschaften kohärenten Lichtes in den 0.1 nm Wellen-längenbereich transferiert bei gleichzeitigem Erhalt der für heutige Synchrotronstrahlungsquellen charakteristischen Durchstimmbarkeit und mittleren Leuchtstärke.“

Meinungen aus der Laser Community

„Es gibt wohl kaum ein anderes Wissenschaftsfeld wo der Bau einer einzigen Anlage solch enormen Fortschritt, nicht nur in einem, sondern in der Kombination mehrerer kritischer Parameter bringt.“

Röntgenstrahlung (1895)

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Absorptionskontrast Mikrotomograhie

3 dim. Verteilung von Calziumim im Knochen einer 65 jährigen Patienten,

die an Osteoporose leidete

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jochen.schneider@desy.deAbbildung in Phasenkontrast

Absorptions- vs.Phasenkontrast

Seegras im Absorptionskontrast

Abbildung über Phasenkontrast

Foraminifera MuschelA. Snigirev et al.

25 keV

18 keV

Dynamik ?

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Synchrotron-Strahlung in der Strukturbiologie

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Muskeln bewegen alles,aber wie bewegt sich ein Muskel?

es begann bei DESY:

G. Rosenbaum, K.C. Holmes & J. WitzNature 230 (1971) 434-437

Zeit aufgelöste Klein-Winkel-Streuung

Atomare Auflösung: Laue Diagramme

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Erste Laue-Aufnahmen von W. Friedrich, P. Knipping und M. von Lauean Mineral-Einkristallen im Frühjahr 1912

Laue-Aufnahme an Kohlen-Monoxyd-Myoglobin in 150 psec(M. Wulff et al., ESRF-Grenoble)

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Beugungsbild von einem Virus Einkristall

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D. Stuart et al.

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Beispiel: 20S Proteasom von HefeStrukturmodell mit 2,4 Å Auflösung

~ 50 000 Protein Atome

~1,2 Mio Bragg Reflexe,~400 000 in Verfeinerung

M. Groll, L. Ditzel, J. Löwe, D. Stock, M. Bochtler, H.D. Bartunik & R. HuberNature 386 (1997) 463

HASYLAB-data, beamline BW6

Röntgenquelleder zweitenGeneration

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Protasom

X-rays

Struktur eines Virus

core particle of theblue-tongue virus

David Stuart et al., ESRF data

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Röntgenquelleder drittenGeneration

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blue-tonguevirus

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antibiotic actionon ribosomes

F. Schlünzen, R. Zarivach, J. Harms, A. Bashan, A. Tocilj, R. Albrecht,A. Yonath

Nature 413 (2001) 814-821Herausforderung:Kristallzucht

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Röntgen-Strukturanalyse: Zukunftsperspektive

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Graham Fleming (Berkely) 1999:

Was wir eigentlich tun möchten:

Bestimmung der Struktur von nicht-kristallinen Proben

auf der chemischen Zeitskala,d.h. im Bereich von Femto- und PikoSekunden

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Abbildung eines einzelnen Bio-Moleküls

einzelnes Molekül Kristall

mit atomarer Auflösung Lysozym

Oversampling: J. Miao, K.O. Hodgson and D. Sayre, PANS 98 (2001) 6641-6645

Coulomb Explosion

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optischer Laser Puls

Zukunft:

Röntgen-BlitzeextremerIntensität

der explodierende Wassertropfen

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X-rays

Coulomb Explosion von Lyzosym

X-rays

� Firmenam e (Referentennam e)28

Coulomb explosion of lysozyme (50 fs)Coulomb explosion of Lysozyme LCLS

Radiation damageinterferes with atomicscattering factors and

atomic positions

50 fs3x1012 photons/100 nm spot12 keV

R. Neutze, R. Wouts, D. van der Spoerl, E. Weckert, J. Hajdu: Nature 406 (2000) 752-757

t=0

t=50 fsec

t=100 fsec

Modellrechnungen

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Abbildung von einzelnen Bio-Molekülen

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der TESLA Röntgen FEL macht es möglich

Anwendungsbeispiel mitHerausforderungen besonderer Art

Der VUV FEL an der TESLA Test Facility erlaubt bereits heuteUntersuchungen zur Coulomb Explosion an Modell Systemen

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Vortrag:Josef Feldhaus

Entwicklung der Leuchtstärke von Röntgenquellen

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Neue Quellen eröffnen neue Mess-möglichkeiten, ohne dass die etablierten Anwendungen an Wert verlieren

Alle 10 Jahre erhöhte sich die Leuchtstärke um den Faktor 1000

DORIS III

Röntgen Laser

ESRF

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Speicherring Strahlungsquellen

Das europäische Flaggschiff

European Synchrotron Radiation Facility ESRFin Grenoble, Frankreich

Pionierexperimente:

KohärenzZeitauflösungMikrotomographie.....

StrukturbiologieMagnetismusFestkörperanregungenGrenzflächenphysik.....

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Beugung unter extremen Drucken

Je kleiner die Probe, desto größer ist der erreichbare Druck

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Freie-Elektronen Röntgen Laser

Vergleich mit SR Strahlungsquellen der 3. Genaration:• Dramatisch höhere Spitzenleuchtstärke (x 109)

- transversal kohärente Strahlung- große Zahl von Photonen/Mode (109)

- sehr viel kürzere Pulslänge (100-300 fs)

• Höhere mittlere Leuchtstärke (x 105)

• Höheren mittleren Photonenfluß (x 102)

• Wilde Träume• Extrapolation von bestehender Erfahrung

- SR Quellen der 3. Generation- “table-top” Laser

wissenschaftlichesPotential:

Spektralverteilung der spontanen Strahlung eines TESLA X-FEL Undulatorsin einer Entfernung von 400 m von der Quelle

L = 87 m, �u = 50 mm, k = 4.1, 25 GeV, 60 �A

100 fsecPuls-länge

Spontaneous radiationX-rays

1 mm2 Blende aufzentraler Achse

Spontaneous radiationAutomobil Forum Berlin13. Januar 2002

SASE FEL im VUV

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19952001

Spektroskopie im weitesten Sinne

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Conceptual Design of a

500 GeVe+e- Linear Collider

with

IntegratedX-ray Laser Facility

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TESLAConceptual Design

1997

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SASE FEL im harten Röntgengebiet

1998 2000

Stanford, USA

Strukturforschung im weitesten Sinne

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X-rays

Part1: Executive Summary2: The Accelerator3: Physics at an e+e- Linear Collider4: A Detector for TESLA5: The X-Ray Free Electron Laser6: Appendices

TESLA Colloquium

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2001

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Freie-Elektronen Laser liefern kohärente Röntgenstrahlung der richtigen Wellenlänge und Zeitstruktur, so daß Stoffe und die Veränderungen ihrer Eigenschaften mit atomarer Auflösung in 4 Dimensionen, d.h. in Raum und Zeit, verfolgt werden können.

Beugungsbild eines 10 x 10 x 10 Au Clusters

Wissenschaft mit demSASE X-FEL

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Chemische Reaktionen „filmen"

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Schematische Darstellung von Übergangs-Zuständen in einer chemischen Reaktion

Nicht-Gleichgewichts-

Zustände

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X-rays

Röntgen FELs sind eine Herausforderung für Maschinenphysiker wie Nutzer:Schrittweise Realisierung

Fahrplan für SASE Freie-Elektronen Laser:

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FahrplanSASE FEL

• 2000 - 2001 80 - 120 nm TESLA Test Facility at DESY530, 350nm LEUTL at APS in Argonne

• 2003 - 2005 24 ... 6 nm VUV-FEL facility at DESY

• 2004 15 nm SCSS SPring-8

• 2005 3.6 nm SCSS SPring-8

• 2007/8 0.15 nm LCLS at Stanford

• 2008 100 ... 1 nm BESSY FEL in Berlin

• 2011 0.1 nm X-ray FEL laboratory at TESLA

UK:4GLS-CASIM

Italy:INFN-ENEA-CNR-Roma II

Elettra-INFM

X-rays

DESY TTFachived at

~98 nm

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Freie-Elektronen SASE Laser in Japan

SPring-8 Compact SASE Sourcejochen.schneider@desy.de

Spektralverteilung des TESLA X-FEL Labors

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energy [eV ]101001.00010.000100.000

0.01 0.1 1 10 100w avelength [nm ]

TTF VU V -FE L

TE S LA X FE Lphase I

phase II

S AS E undula torundula tor for spont. rad ia tion

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Realisierung von TESLA X-FEL in zwei Schritten

Realisierung des X-FEL in zwei Schritten

Kosten der ersten Phase des Projektes die im TDR genannten 530 MEuro

Phase 1: E(Beschleuniger) = 20 GeV 3 FEL Strahlen + 2 Undulatoren für spontane Strahlung (100fs) 10 unabhängige Experimentierplätze

Phase 2: E(Beschleuniger) > 20 GeV 5 FEL Strahlen + 5 Undulatoren für spontane Strahlung (100fs) 20 unabhängige Experimentierplätze

Annahme: Beschaffung und Produktion der Komponenten für die LInacfür X-FEL und Linear Collider zeitlich parallel

• More than 40 institutes in 9 countries

• Major hardware contributions fromFrance, Italy, USA, and DESY

TESLA collaboration

Bottom-up collaborationinitiated by the particle physics community

The TESLA Collaboration:

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„Durch die Verbindung von Kohärenz und Femtosekunden Pulslänge mit kurzer Wellenlänge wird der X-FEL auch eine neue Plattform für interdisziplinäre Wechselwirkung und Synergien zwischen Forschern schaffen, die in der Vergangenheit getrennte Wege gegangen sind.“

Synergien

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Synergien

HigherHarmonicsGeneration

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TESLA – Licht der Zukunft

• Woher kommt die Masse?• Ein Weg zur Weltformel?

Forschung mit dem Freie-Elektronen Laser

• Wie schmilzt, wie kondensiert Materie?• Was treiben die Elektronen im Supraleiter?• Was tun die Moleküle in einer Zelle?

jochen.schneider@desy.de

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T

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jochen.schneider@desy.de

T

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jochen.schneider@desy.de

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X-FEL potential for inelastic scattering

Characterisation of

different spectroscopies

for the study of

excitations in

condensed matter in

frequency - wave vector

space

GSI Colloquium8 January 2002

Der Röntgenlaser: Photonen im Röntgen-Blitz

10 13 kohärentePhotonen

SpeicheringUndulator

FEL

in den 100 Femtosekunden dauernden Pulsen gibt es 10 000 mal mehr Photonen

Faktor 10 000

statt bisher 50 Picosekundendauern die Pulse nur noch 100

Femtosekunden

Faktor 1/1000

Spitzenleuchtstärke des Röntgenlasers

Der Röntgenlaser bei DESY ist

etwas qualitativ Neues

Die Spitzenleuchtstärke ist um10 Größenordnungen höherals bei modernenSynchrotronstrahlunsquellen

Synergien mit der Entwicklungder Laser im Optischen Spektralbereich

Jahre

Herausforderung: Struktur des Ribosoms

FlaschenhalsKristallisation

Proteinsynthese - „Eiweissfabrik“

ECM 20 Kraków 2001Observation of five-fold local symmetry in liquid leadNature, Vol. 408 (2000) 839

H. Reichert, O. Klein, H. Dosch, M. Denk (MPI Stuttgart)V. Honkimäki (ESRF)T. Lippmann (HASYLAB)G. Reiter (Houston)

First experimental evidence for poly-hedral local order in a simple liquid showing that liquids and solids are two structurally incompatible forms of condensed matter.

The experiment provides insight into the phenomena of supercooling of melts on a microscopic scale and thus an essential element for our understanding of the stability of condensed matter.

ECM 20 Kraków 2001

An extremely flat beam of 70 keV synchrotron radiation penetrates a Si wafer and undergoes total-reflection at liquid lead.

Bragg scattering from a reflection with momentum transfer in a plane parallel to the interface is analysed

When rotating the sample around an axis perpendicu-lar to the interface an intensity modulation with 5-fold symmetry is observed

Struktur in der Nähe der Fest-Flüssig-GrenzflächeSystem: Si(001)-Pb(flüssig)

Energie: 80 keV

H. Reichert et al., Nature, 408, 839 (2000)

X-rays

Experiments at the X-ray free-electron laser

X-rays

Present day X-ray and neutron experiments probe in most cases equilibrium states of matter.

The X-rays from the free-electron laser probe the dynamic state of matter with atomic resolution and will mainly be used to study non-equilibrium states, and very fast transitions between the different states of matter.

For atomic scale, femtosecond studies of electronic and geometrical properties of matter in the bulk of the sample the X-FEL is unique.

ESRF-ILL Seminar5 February 2002

X-rays

Potential of X-FEL

„The X-FEL is a serious attempt to transfer some of the unique properties of coherent light into the 0.1 nm wavelength range, while at the same time maintaining the level of tunability and average power of today‘s synchrotron radiation sources.“

ESRF-ILL Seminar5 February 2002

„It is hard to think of other scientific fields where the construction of a single device would allow for such progress not just in one, but in a combination of several crucial parameters.“