Freie Elektronen Laser bei DESY - Sektion Physikbonitz/D/vorles_09ss/treusch.pdf · 4 Rolf Treusch, DESY/HASYLAB Besuch M.Bonitz et al., Uni Kiel, 02.06.2009 Meter vs. Nanometer 1

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Rolf Treusch, DESY/HASYLAB Besuch M.Bonitz et al., Uni Kiel, 02.06.2009

Rolf TreuschHASYLAB @ DESY

Freie Elektronen Laser bei DESY:Brilliante Lichtquellen vom extremen

UV bis in den Röntgenbereich


P

DORISIII

FLASH

XFEL

Willkommen bei DESY !

PETRA 3

2


Inhalt

• Röntgenstrahlungsquellen in der Forschung

• Von der Synchrotronstrahlung zum FEL

• Beispiele möglicher Experimente mit einem (X)FEL

• FLASH bei DESY („virtuelle Tour“)

• Forschungs-Beispiele von FLASH

• Roadmap/Ausblick


Röntgenstrahlungsquellen in der Forschung

Röntgenröhren

Synchrotronstrahlungs-quellen

Röntgen-FELs

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Von Röntgens Röhre zum Röntgenlaser

klassisches„Röntgen“ Kristallstruktur-

bestimmung mit atomarerAuflösung+ Informationen über Dynamik auf Femtosekunden-Zeitskala


ca. 30 x mehr Transistoren pro CPU pro Dekade seit 1970

(http://www.intel.com/research/silicon/mooreslaw.htm)

10.000 x mehr “Licht” pro Dekade seit 1965

Zum Vergleich:

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Meter vs. Nanometer

1 nm

13000 km 13 mm

1 m


Lichtstrahl

Licht benötigt 1,3 sec von der Erde zum Mond

Wie kurz sind 100 Femtosekunden ?

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100 fs (Femtosekunden)entsprechen einer Distanz von 30 μm bei Lichtgeschwindigkeit( ≃ 300.000 km/s), d.h. der Breite eines Haares !!


Röntgenröhre Synchrotronstrahlung

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Winkelverteilung der Synchrotronstrahlung

D. H. Tomboulian and P. L. Hartman, Phys. Rev. 102, 1423-1447 (1956)


Zeitstruktur

Zeit (μsec)

Inte

nsitä

t

typische Pulslängen:10 ps … 100 ps

typische Pulsseparation:2 ns … 1 μs (abhängig vom Füllschema)

einzelne Elektronenpakete kreisen im Speicherring

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Rolf Treusch, DESY/HASYLAB Besuch M.Bonitz et al., Uni Kiel, 02.06.2009Spektrum der Synchrotronstrahlung


Synchrotronstrahlungs-Speicherring

Undulator = periodisches Magnetfeld; Elektronen emittieren auf ihrem sinusförmigen Slalompfad Strahlung; Photonen können konstruktiv überlagern („interferieren“) Intensitäts-Erhöhung ∝N2 (N= # der Undulator-Perioden)

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Synchrotronstrahlungsquellen

Ablenkmagnet

∝ NW x Ablenkmagnet

∝ NU2 x Ablenkmagnet

∝ NU2 x Ne x Ablenkmagnet

NU , NW = # magnetischer PeriodenNe = # der Elektronen im Paket


für Energie und Winkelverteilungsetzt man (sinusförmige) Bewegung der Electronen im periodischen Feld

des Wigglers/Undulators ein in dieFernfeldnäherung der Strahlungsgleichung

J.D.Jackson, “Classical Electrodynamics”, J.Wiley, NY (1962), eq. 14.67

(mehr Details in S.Krinski, et al., ch. 2 in E.E. Koch (ed.) ” Handbook of Synchrotron Radiation“, Vol.1a, North-Holland Publishing Company (1983))

Wiggler/Undulator Parameter

in praktischen Einheiten:

Verhältnis des Ablenkwinkels im B-Feld bezogen auf Öffnungskonus

der Synchrotronstrahlung (1/γ)

K >>1 Wiggler, K ≅ 1 Undulator

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Undulator-“Resonanzbedingung”:

Wellenlänge der i-ten Harmonischen

Beobachtungswinkel bezogen auf Vorwärtsrichtung

Undulator-Spektrum

Wiggler-Spektrum

Photonen-Energie (keV)

Phot

onen

-Flu

ss (1

/s)

( für konstruktive Interferenz der entlang der sinusförmigen Trajektorie

im Undulator emittierten Photonen)


Herleitung der Undulator-Resonanzbedingung(geometrisch + relativistisch)

X1 X2 X3

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Anwendungen der Synchrotronstrahlung

Absorptions-Spektroskopie:lokale atomare Umgebung, Valenzzustände, Katalyse

Fluoreszenzanalyse:Spurenelement-Analyse (z.B. Si-Wafer-Verunreinigungen)

Beugung: Strukturbestimmung, Stress und Spannungen in Materialien

Kleinwinkelstreuung:weiche und flüssige Materialien (z.B. Polymere)

Oberflächen und Grenzflächen:Rauhigkeit, Schichtdicke, Dichte dünner Schichten

Struktur von Biomolekülen:DNA, Medikamentenentwicklung, zeitaufgelöste Dynamik biologischer Prozesse


(Zwischen-) Resumée

• kontinuierliches Spektrum vom Infraroten bis zur Röntgenstrahlungdurchstimmbare Energie/Wellenlänge (“Farbe”)

• hohe Intensität• hohe Stabilität der Intensität und Quellposition• hoher Grad an Kollimation, kleine Quellgröße (e-Strahl)• lineare Polarisation in Orbit(Speicherring)-Ebene• elliptische/zirkulare Polarisation ober-/unterhalb des Orbits (Ablenkmagnet)• wohldefinierte Zeitstruktur (gepulst)• Eigenschaften exakt berechenbar• saubere (Ultra-Hoch-Vakuum) Umgebung

Synchrotronstrahlung ist ein vielseitiges Werkzeug für ein breitesSpektrum wissenschaftlicher Applikationen. Sie besitzt

herausragende Eigenschaften:

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Von der Synchrotronstrahlung zum SASE FEL

Synchrotron-Strahlungsquelle der 3. Generation(spontane Undulator-Strahlung, z.B. ESRF, PETRA 3)

+ 108 x mehr Spitzen-Leuchtstärke+ kurze Pulse ( ≈ 100fs vs. 100ps)+ volle transversale Kohärenz+ Partielle longitudinale (zeitliche) Kohärenz

= Freie-Elektronen-Laser(Strahlungsquelle der 4. Generation)


„Mehr Licht“: wofür?

Hohe Intensität:extrem verdünnte Proben, z.B. Spektroskopie an massenselektierten Clustern in der Gasphaseoder Beugung and einzelnen Molekülen

Leistungsdichte:auf 1μm2 fokussiert >1016 W/cm2 ⇒ nichtlineare Effekte

Kurze Pulse:Anregungsdauer auf Zeitskala von MolekülschwingungenStudium zeitabhängiger Prozesse, pump and probe-Experimenteoder z.B. Röntgenmikroskopie an lebenden Zellen:höchste Auflösung durch schockgefrieren auf < - 150 CFEL schnell genug kein Einfrieren mehr nötig, Zelle stirbt erst nach ca. 50 ps durch Erwärmung

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Lightamplification bystimulatedemission ofradiation:

Verstärkung über stimulierte (Licht-)Emission von an Atomegebundenen Elektronen (in Kristall, Flüssig-Farbstoff, Gas)

FEL: Verstärkungsmedium = „freie“ (ungebundene) Elektronen,die Atomen in einer Elektronen-Kanone „entrissen“ wurden, bis nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden und dann durch einen langen Undulator (= periodische magnetische Multipol-Struktur) laufen, wobei sie intensiveLaserstrahlung produzieren.

FEL vs. konventioneller Laser


Die meisten (etwa 30) FELsheutzutage werden im Wellenlängen-Bereich von mm (Mikrowellen) und μm (Infrarot=Wärmestrahlung) betrieben und nutzen optische Resonatoren(wie konventionelle Laser)

Optische Resonatoren sind für λ < 150 nm nicht einsetzbar (niedrige Reflektivitäten & eventuelle Zerstörung)

Daher unterhalb 150nm: „single pass“ SASE FELs

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Schlupf zwischen Elektronen und Photonenbeträgt λphot pro Undulatorperiode

Elektronen in Phase mit e.m.-Wellewerden verzögert (“emittieren Photonen”),Elektronen mit entgegengesetzter Phase gewinnen Energie (“absorbieren Photonen”)

longitudinale Ladungsdichte-Modulation (“micro-bunching”) mit Periodizität λphot

Selbstverstärkung der spontanen (Undulator-)Strahlung aufgrund zunehmend kohärentererEmission von den “micro-bunches” (quasi Punktladungen)

SASE (self-amplifiedspontaneous emission)


Energiemodulation der Elektronen

Elektronen bewegen sich auf sinusförmiger Trajektorie :

elektromagnetische Welle parallel zu Elektronenpaketen:

Änderung der Elektronenenergieaufgrund des e.m.-Feldes:

mit der „ponderomotiven Phase“ :

für kontinuierlichen Energietransfer (konstante Phase Ψ)

Undulator-Resonanzbedingung

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SASE-Animation


Anforderungen an einen SASE-FEL

• Elektronenstrahl niedriger Emittanz mit schmaler energetischer Bandbreite

• extrem hohe Ladungsdichten (Spitzenströme im kA-Bereich)• präzises Undulator-Magnetfeld• Akkurate Strahljustage durch den Undulator (auf wenige μm genau)

Gute Qualität des Elektronenstrahls und hinreichenderÜberlapp zwischen Elektronenstrahl und „Licht“ längs des Undulators, d.h.

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SASE FEL Eigenschaften

• Hohe Intensität (GW Spitzenleistung)• Kohärenz• Femtosekunden-Pulse• schmale Bandbreite („eine Farbe”)• kurze Wellenlängen bis in den

Röntgenbereich möglich!!• Wellenlänge („Farbe”) durchstimmbar


von J.Rossbach

Kohärenz bringt voran!

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Literaturempfehlungen

http://hasylab.desy.de/facilities/flash/publications/selected_publications/index_eng.html


LCLSSLAC, Stanford, CA

European XFELHamburg, GER

SCSSSpring-8Harima, JAP

SPARX-FELRome, ITA

FERMI@ELETTRATrieste, ITA

DUV-FELNSRLShanghai, CHN

PAL XFELPohang, KOR

FLASHHamburg, GER

MAX-IVLund, SWE

PSI-FELVilligen, SUI

NLS???, UK

von T.Tschentscher

Arc-En-Ciel???, FRA

POL-FEL???, POL

FEL-Projekte VUV Röntgen

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• Plasmaphysik:Wie heiß ist heiß?

• Femtochemie:Kann man eine chemische Reaktion „filmen“?

• Biologie:Können wir die Struktur einzelner Proteine bestimmen?Sind schnelle strukturelle Änderungen messbar?

Beispiele möglicher Experimente mit einem (X)FEL


Eur

opea

n XF

EL

Plasmaphysik:Wie heiß ist heiß?

Simulation von ProzessenUnter Extrembedingungen(hohe Temperatur,hoher Druck)

Eur

opea

n X

FEL

Temperatur (Grad Celsius)

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Femtochemie:Kann man eine chemische Reaktion „filmen“?

Anfangszustand

Endzustand

Anregung Moment-Aufnahme


Momentaufnahmen zu verschiedenen Zeitpunktennach Anregung ⇒ „Film“ der Reaktion

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berechnetes Streubild eines einzelnen Lysozym Moleküls

gemessenes Streubild eines mit Synchrotronstrahlung bestrahltenLysozym Einkristalls J.Hajdu et al.

Biologie: Können wir die Struktur einzelner Protein-Moleküle bestimmen?


Bedingung: Puls kurz genug und nicht zu intensiv, damit „Messung im Kasten“ bevor Molekül zerstört

Bsp. Lysozym:weiß: Wasserstoff, grau: Kohlenstoff, blau: Stickstoff, rot: Sauerstoff, gelb: Schwefel

R. Neutze et al.Nature, August 2000

Problem: Coulomb-Explosion

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Sind schnelle strukturelle Änderungen messbar?

Laue-Diagramm eines Myoglobin-Kristallsmit Kohlenmonoxid-Liganden (MbCO),aufgenommen mit einem einzigen Synchrotronstrahlungs-Lichtpuls von 150 Pikosekunden Länge.

Bild zeigt ca. 2000 Röntgenlicht-Reflektionen (die hellen Punkte)

Kristallstruktur mit einer Auflösung von 0,18 nm (ca. Größe des CO-Moleküls)

ESRF Highlights 1996/1997

mit XFEL noch 1000x kürzere „Belichtungszeit“


TTF1

Experimentier-Halle(„User Facility“)

Linearbeschleuniger und FEL-Ausbau

für FLASH

FLASH bei DESY

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Einbau von Beschleuniger-Modulen

Kollimator-Bereich

Hochfrequenz-Photokathoden-Elektronenquelle (“electron gun”)

Undulator-Aufbau

Experimentierhalle

“Bunch compressor”

Modul #5

Ablenkung der Elektronennach unten in “beam dump”


CsTe2 Photokathodein 11/2 - zelligem Resonator

1-3% Quanten-Effizienz

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Beschleunigermodul mitsupraleitenden Niob-Resonatoren25 MV/m StandardLänge: 12 mGewicht: ca. 10 t


elektromagnetische Schikane (4 Dipolmagnete) zur longitudinalen Kompression der Elektronen-Bunche(~1mm 0.1mm)

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Fixed gap Undulator, 30 m Gesamtlängemit Quadrupol-Dubletts für Fokussierungdes Elektronenstrahls in den Zwischenstücken+ Elektronenstrahl-Diagnose + Korrektur-Magnete


Ablenkung durch starke Dipolmagnete in den Elektronenabsorber („Dump“)unter Betonabschirmung im Boden

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visible laser

PG2

BL2

PG1

FIR -Beamline

BL3BL1

FLASH Experimentierhalle


Forschungsbeispiele von FLASH

• VUV-FEL Cluster Experiment

• Nichtlineare Multi-Photonen-Effekte: Xe23+

• Zerstörschwellen von Spiegeln / Beschichtungen

• Resonante Ionisation hochgeladener Ionen (J.Crespo et al.)

• Einzelschuss-Beugungsbilder (H.Chapman, J.Hajdu et al.)

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VUV-FEL Cluster-ExperimentT.Möller et al.


200 400 600 800

Xe+

inte

nsity

time of flight [ns]

atom

67

Xe3+

8

Xe++

N~2-20

5

4+

N~80

4 23876 5 1

N~30000

• hochgeladene Ionenaus Clustern

• einfach geladene Atome

2x1013 W/cm2

H. Wabnitz et al., Nature 420, 482-485 (2002)

Flugzeit-Massenspektren von Xe-Atomen und Clustern

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„Feuerwerk im Edelgascluster“

Physikalische Interpretation: Coulomb-Explosion


Ionen Massen-Spektroskopie im Fokus einesEUVL Multilagen-Spiegels bei 13nm

M.Richter et al.

(3µm focus)

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2.5 x 1012 W/cm2

Xe2+

1+

3+

IrradianceVielfach-Ionisation von Xenon bei 13.4 nm / 92.7 eV (1)


7.8 x 1015 W/cm2

Xe2+

1+

3+

Irradiance

Vielfach-Ionisation von Xenon bei 13.4 nm / 92.7 eV (2)

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A.A. Sorokin, S.V. Bobashev, T. Feigl, K. Tiedtke, H. Wabnitz, and M. Richter, Phys. Rev. Lett. 99, 213002 (2007)

ion TOF spectra

Vielfach-Ionisation von Xenon bei 13.4 nm / 92.7 eV (3)


Wie funktioniert das?

Xe: [Kr] 4d 10 5s2 5p6

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≈ 19Anzahl der Ionisationsschritte:

> 57Anzahl der pro Atom und Puls absorb. Photonen:

> 5 keVabsorbierte Energie pro Atom und Puls:

Xe21+höchster beobachteter Ladungszustand:

8 × 1015 W cm-2maximale Leistungsdichte:

3 µm (FWHM)Fokusdurchmesser:

10 fsPulslänge:

1 to 10 µJPulsenergie:

92.7 eVPhotonenenergie:

13.4 nmWellenlänge:

Multi-Photon Vielfach-Ionisation von Xenon im XUV


R. Sobierajski et al.Ablation einer Kohlenstoffschicht auf Silizium

Ablation von Silizium, „Beleuchtung“ durch optischen Laser

K. Sokolowski-Tinten et al.

S.P. Hau-Riege et al., Appl. Phys. Lett. 90, 173128 (2007) S.P. Hau-Riege et al., Phys. Rev. Lett. 98, 145502 (2007)

40 μm

40 μm

Zerstörschwellen von Spiegeln / Beschichtungen

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λvuvλvuv insulator (up to 180 kV)

e-gun (Pierce type)

I=400 mA achieved

E<12 keVinsulatorinsulator

e-collector

pum

ping

pum

pingquadrupole

deflector

einzel lense

superconducting magnet (6 Tesla)

WITH

ion trap assembly

Resonante Ionisation hochgeladener Ionen(Crespo et al.)


S.W.Epp et al., Phys. Rev. Lett. 98, 183001 (2007)

„Röntgenblick ins Sternenfeuer“

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Erste Demonstration kohärenter Röntgenbeugungmit einem FEL (H.Chapman, J.Hajdu)


2. Schuss mit voller Leistung

1. Schuss mit voller Leistung

„Laserblitze im Nanokosmos“

1 micron

SEM der IonenstrahlgeätztenStruktur in Siliziumnitrid-Membran

1 micron

Rekonstruiertes Bild, beugungsbegrenzte Auflösung erreicht !

Wellenlänge = 32 nm

H.N.Chapman et al., Nature Physics 2, 839-843 (2006)

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A.Barty et al., Nature Photonics 2, 415-419 (2008)


a

cb

„Hochgeschwindigkeitsaufnahme“ einer Nano-Explosion

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Rolf Treusch, DESY/HASYLAB Besuch M.Bonitz et al., Uni Kiel, 02.06.2009ERSTES „BLITZ-BEUGUNGSBILD“ (FLASH DIFFRACTION IMAGE)EINES LEBENDEN PIKOPLANKTONS (Zelle mit 200m/s durch den Strahl geschossen)

0 30606030Resolution length on the detector (nm)

März 2007FLASH, Hamburg, Germany

FLASH-Pulslänge: 10 fsWellenlänge: 13.5 nm

REKONSTRUIERTE ZELLSTRUKTUR

Filipe Maia, Uppsala

H.Chapman, J.Hajdu et al.

Als PIKOPLANKTON bezeichnet man die kleinstenphotosynthetisch aktiven Bewohner der Ozeane.Sie machen in bestimmten Gewässern 80% derBiomasse aus. (Entdeckung 1988)


Roadmap/Ausblick

• FEL an TTF Phase 1 (1999 - 2002)VUV: 180 - 80 nm„Proof-of-Principle”Sättigung und erste Experimente

• FLASH, Phase 2 (ab 2005)weiche Röntgenstrahlung: 60 – 6.5 (4.5) nm Nutzeranlage

• Europäischer Röntgenlaser XFEL: 25 nm - 0.1 nm Genehmigt, Europaweite Finanzierung, GmbH,Inbetriebnahme 2014

100 nm

10 nm

1 nm

1 Å

Spannende Zeiten bei DESY

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FLASH:unser Lichtblick in die pulsierende Nanowelt

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