Eine brillante Zukunft für DESY: Röntgenlaser in Hamburg
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- Alexander Kruse
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1 Eine brillante Zukunft für DESY: Röntgenlaser in Hamburg Dr. Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag DESY Zeuthen, Willkommen bei DESY: Forschung mit Röntgenstrahlung DESYs Lichtmaschinen in Hamburg DORIS III XFEL FLASH PETRA 3 Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 2 1
2 Was Sie erwartet: Einführung in die Röntgenstrahlung Von Röntgens Röhre zum Röntgenlaser Der Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY Aufbau und virtuelle Tour Proteine: Struktur und Funktion Biomaschinen bei der Arbeit zusehen Erste Ergebnisse von FLASH Laserblitze im Nanokosmos Rück- und Ausblick Vom VUV-FEL bis zum European XFEL Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 3 Einführung in die Röntgenstrahlung Entdeckung 1895 Nobelpreis 1901 Wilhelm Conrad Röntgen Kaiser Wilhelm II empfing W.C. Röntgen 3 Wochen nach der Entdeckung Absorptionskontrast Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 4 2
3 Röntgenstrahlung: Sehen, was dem Auge verborgen ist Abendgesellschaft Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 5 Röntgenstrahlung: Sehen, was dem Auge verborgen ist Abendgesellschaft Röntgenstrahlen durchdringen Materie Durchleuchten Anwendungen in Medizin und Ingenieurwissenschaften Wellenlänge der Röntgenstrahlung passt zum Abstand der Atome in Materie im Durchblick Position der Atome Anwendungen in Grundlagenund anwendungsnaher Forschung Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 6 3
4 Typischer Tag in Stuttgart Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 7 Herzschrittmacher Li-Batteries New Materials for Energy GPS Navigation Functional Materials Air Bag Accelaration Sensors MEMS Kosmetika TiO 2 Nanoparticle Handy SAW Structures Künstliche Hüfte Biocompatible Materials Gläser, Beschichtungen Optical Materials UV Filter Digitalkamera CCD Chip Künstliche Linse Biocompatible Polymers Fahrradrahmen Carbon Fibres Composite Materials courtesy: Helmut Dosch GMR-Lesekopf Magnetic Multilayers LED Display Photonic Materials Intelligente Kreditkarte Integrated Circuits Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 8 Uhrzeit via Satellit Semiconductíng devices Micro-Batteries Funktionale Materialien bei der Arbeit 4
5 Röntgenstrahlungsquellen in der Forschung Röntgenröhren Synchrotronstrahlungsquellen Röntgen- FELs Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 9 Synchrotronstrahlung Entdeckung am General Electric 70 MeV Synchrotron in Schenectady, NY (1947) F. R. Elder, A. M. Gurewitsch, R. V. Langmuir, and H. C. Pollock, Phys. Rev. 71, 829 (1947) Spektrum einer Wolfram Röntgen-Röhre Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 10 5
6 Von Röntgens Röhre zum Röntgenlaser klassisches Röntgen Kristallstrukturbestimmung mit atomarer Auflösung + Informationen über Dynamik auf Femtosekunden- Zeitskala Supermikroskop mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmetechnik Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 11 Zum Vergleich ( x mehr Licht pro Dekade seit 1965 ca. 30 x mehr Transistoren pro CPU pro Dekade seit 1970 Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 12 6
7 Wellenlängen und Farben λ Die Farbe des Lichts entspricht der Wellenlänge λ : Rot -- ca. 760 nm = 0.76/1000 mm Grün -- ca. 530 nm = 0.53/1000 mm Blau -- ca. 490 nm = 0.49/1000 mm λ [nm] sichtbares Licht nm IR UV VUV XUV Röntgen E [ev] Laser-Quellen heute FLASH Europäischer XFEL Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 13 Spektrum des Lichts (elektromagnetisches Spektrum) Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 14 7
![49/1000 mm λ [nm] sichtbares Licht 800-400 nm IR UV VUV XUV Röntgen 1000 100 10 1 0.](/docs-images/51/17191135/images/page_7.jpg "1 E [ev] 1 10 100 1000 10000 Laser-Quellen heute FLASH Europäischer XFEL Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27.")
8 Meter vs. Nanometer km 13 mm 1 m 1 nm Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 15 FEL und konventioneller Laser im Vergleich Light amplification by stimulated emission of radiation: Verstärkung über stimulierte (Licht-)Emission von an Atome gebundenen 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 intensive Laserstrahlung produzieren. Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 16 8
9 Schematischer Aufbau eines FEL Elektronenquelle Linearbeschleuniger Undulator Probe Spiegel Strahlfänger Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 17 FEL-Animation Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 18 9
10 Gleichtakt bringt voran! von J.Rossbach Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 19 Messung sehr schneller Ereignisse Ein Bild verschwimmt, wenn die Objekte sich schneller bewegen als die Verschlusszeit Kameras mit schnellerer Verschlusszeit Eadweard Muybridge, 1878 Blitz! Courtesy: S. Düsterer Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 20 10
11 Wie kurz sind 100 Femtosekunden? Licht benötigt 1,3 sec von der Erde zum Mond Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite fs (Femtosekunden) entsprechen einer Distanz von 30 µm bei Lichtgeschwindigkeit ( km/s), d.h. der Breite eines Haares!! Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 22 11
12 FLASH bei DESY Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 23 Aufbau von FLASH: Blick in den Beschleunigertunnel Installation von Beschleunigermodulen sflash Undulatoren Experimentierhalle Diagnostik Beschleunigermodule sflash Undulatoren Bunchkompressor Bunchkompressor 5 MeV 160 MeV 500 MeV 1200 MeV 315 m Bypass FEL Experimente Elektronenkanone Bunchkompressor Undulator-Aufbau Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 24 12
13 Elektronen-Kanone CsTe 2 Photokathode in 11/2 - zelligem Resonator 1-3% Quanten-Effizienz Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 25 Beschleunigermodul Beschleunigermodul mit supraleitenden Niob-Resonatoren 25 MV/m Standard Länge: 12 m Gewicht: ca. 10 t Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 26 13
14 Undulatoren Fixed gap Undulator, 30 m Gesamtlänge mit Quadrupol-Dubletts für Fokussierung des Elektronenstrahls in den Zwischenstücken + Elektronenstrahl-Diagnose + Korrektur-Magnete Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 27 FLASH Experimentierhalle BL3 BL2 BL1 PG2 PG1 Optischer Laser FIR -Beamline Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 28 14
15 Proteine: Struktur und Funktion Grundvoraussetzung für das Verständnis der Funktion: dreidimensionale atomare Struktur der Moleküle notwendig Kristallstrukturanalyse Röntgenstrahl Proteinkristall Detektor/ Kamera Ribosom,1988 Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 29 Proteine: Lysozym, Darstellungen der Struktur Atome als kleine Kugeln grau: Kohlenstoff blau: Stickstoff rot: Sauerstoff gelb: Schwefel Atome in der richtigen Größe schematische Darstellung Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 30 15
16 Struktur großer Bio-Moleküle ~ Atome Insulin Blauzungen-Virus 30S Ribosom Untereinheit Nucleosom Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 31 Nobelpreis 2009 für Chemie Ada Yonath Leiterin der MPG-Arbeitsgruppe Ribosomenstruktur bei DESY Foto: Micheline Pelletier/Corbis Nobelpreis für Chemie 2009 zusammen mit T. Steitz und V. Ramakrishnan Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 32 16
17 Biomaschine bei der Arbeit DNA(=DNS, Gene) Transkription mrna Translation Protein mrna = messenger RNA ( Boten-RNA ) ist Bauplan, der in kleiner Untereinheit gelesen wird Sequenzen der Aminosäuren der mrna werden durch trna (= translation-rna, Übersetzer ) ergänzt neues Protein Schlünzen,..., Yonath, Cell, 102, 615 (2000) Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 33 Wirkung von Antibiotika auf das Ribosom Ribosom D. radiodurans 50S Erythromycin (rot) Wirkung durch: Hervorrufen einer Falschkodierung Herabsetzen der Beweglichkeit bestimmter Funktionen Blockieren der trna Blockade des Protein- Ausgangstunnels Schlünzen,..., Yonath,... Nature, 413, 814 (2001) Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 34 17
18 16 Nobelpreise für Forschung mit Röntgenstrahlung 1901 W.C. Röntgen in Physik für die Entdeckung der X-(Röntgen)strahlen 1914 M. von Laue in Physik für Grundlagen der Röntgenbeugung an Kristallen 1915 W.H. Bragg & W.L. Bragg in Physik für Bestimmung der Kristallstruktur mit Röntgenbeugung 1917 C.G. Barkla in Physik für charakteristische Strahlung der Elemente 1924 K.M.G. Siegbahn in Physik für Röntgenspektroskopie 1927 A.H. Compton in Physik für Streuung von Röntgenstrahlen durch Elektronen 1936 P. Debye in Chemie für Beugung von Röntgenstrahlen und Elektronen in Gasen 1962 M. Perutz & J. Kendrew in Chemie für die Strukturaufklärung des Hämoglobins 1962 J. Watson, M. Wilkins in Medizin für die Struktur der DNS & F. Crick 1964 D. Crowfoot Hodgkin in Chemie für die Strukturaufklärung wichtiger biochemischer Substanzen (Cholesterol, Vitamin B12, Penicillin, ) 1979 A. McLeod Cormack in Medizin für Computertomographie & G.N. Hounsfield 1981 K.M. Siegbahn in Physik für hochaufgelöste Elektronenspektroskopie 1985 H.A. Hauptman in Chemie für die Entwicklung direkter Methoden zur Bestimmung & J. Karle von Röntgenstrukturen 1988 J. Deisenhofer, R. Huber in Chemie für Strukturaufklärung von Proteinen, die entscheidend für die & H. Michel Photosynthese sind 2006 R.D. Kornberg in Chemie für die Beschreibung des Enzyms RNS-Polymerase 2009 A.Yonath, T.Steitz in Chemie für die Aufklärung v. Struktur & Funktion d. Ribosoms & V. Ramakrishnan Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 35 bisher! Können wir die Struktur einzelner Protein-Moleküle bestimmen? berechnetes Streubild eines einzelnen Lysozym Moleküls gemessenes Streubild eines mit Synchrotronstrahlung bestrahlten Lysozym Einkristalls J.Hajdu et al. Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 36 18
19 Problem: Coulomb-Explosion Bsp. Lysozym: weiß: Wasserstoff, grau: Kohlenstoff, blau: Stickstoff, rot: Sauerstoff, gelb: Schwefel R. Neutze et al. Nature 406, 752 (2000) Herausforderung: Puls kurz genug und nicht zu intensiv, damit Messung im Kasten bevor Molekül zerstört Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 37 Was Coulomb-Abstoßung so vermag Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 38 19
20 Erste Demonstration kohärenter Röntgenbeugung bei FLASH H. Chapman, J. Hajdu et al. Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 39 Laserblitze im Nanokosmos 1 micron SEM der Ionenstrahlgeätzten Struktur in Siliziumnitrid-Membran 2. Schuss mit voller Leistung Rekonstruiertes Bild, beugungsbegrenzte Auflösung erreicht! Wellenlänge = 32 nm 1. Schuss mit voller Leistung H.N.Chapman et al., Nature Physics 2, (2006) 1 micron Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 40 20
21 Gemessenes Mimivirus-Beugungsbild und 2D-Rekonstruktion Graphic: wikipedia.org Die Beugungsbilder und Daten zum Mimivirus musste ich leider weglassen, da bisher noch unveröffentlicht. H.Chapman et al., Veröffentlichung in Vorbereitung Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 41 Ziel: Zusammensetzen von statistisch orientierten 2D-Beugungsbildern zu 3D-Struktur Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 42 21
22 Pump-Probe-Experiment zur CO 2 Ausrichtung (M. Vrakkking, P. Johnsson et al.) Zeitabhängige Ausrichtung von CO 2 O C O Molekül: Wikipedia XUV first 1. Ausrichtung des Moleküls mit IR-Laser 2. FLASH-Puls zur Dissoziation und Ionisation 3. geschwindigkeits- und winkelaufgelöste Messung von O + -Fragmenten VMIS-Bild (velocity map imaging spectrometer) Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 43 in Reih und Glied zur Zerreißprobe! Rohdaten TEO-sortierte Daten P. Johnsson et al., J. Phys. B 42, (2009) Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 44 22
23 Molekulare Gymnastik Foto aus: Josef Wachtveitl und Christoph Riehn, Forschung Frankfurt 3-4, (2003) Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 45 Ausblick: Das europäische Röntgenlaserprojekt European XFEL 3,4 km lange Anlage für naturwissenschaftliche Forschung in der Metropolregion Hamburg Finanzierung (ca. 1 Milliarde Euro, Preisniveau 2005): Deutschland (Bund + Länder Hamburg und Schleswig-Holstein) 11 internationale Partnerländer Forschungszentrum DESY: Vorbereitung, unterirdische Bauwerke, Beschleuniger (vertritt künftiges Forschungszentrum die European XFEL GmbH) Offizieller Startschuss: 7. Juni Januar 2009 bis November 2013 Bauarbeiten (Unterirdische und Oberflächengebäude und Tunnel) ab 2015: Röntgen-FEL-Licht und Nutzung durch Forschergruppen aus aller Welt Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 46 23
24 Die 3,4 km lange Röntgenlaser-Anlage im Überblick Schenefeld: Forschung mit Röntgenlaserblitzen DESY-Bahrenfeld: Start der 3,4 km langen Anlage Osdorfer Born: erste Tunnelverzweigung Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 47 Wie sieht die European XFEL Anlage aus? Atome, Moleküle und Cluster, Plasma Physik Nicht-lineare Prozesse und Quanten-Optik Physik kondensierter Materie und Materialwissenschaften Ultra-Kurzzeit Chemie und Lebenswissenschaften Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 48 24
25 DESY-Bahrenfeld aus der Luft September 2010 European XFEL Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 49 Schenefeld aus der Luft September 2010 Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 50 25
26 Der künftige Forschungscampus /2015 ab 2014/2015: wissenschaftlicher Betrieb mit Personen Baukalener WebCams Bildergalerie Hintergrundinformationen Computersimulation Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 51 Rück- und Ausblick FEL an TTF Phase 1 ( ) VUV: nm Machbarkeits-Beweis Sättigung und erste Experimente FLASH, Phase 2 (ab 2005) weiche Röntgenstrahlung: (4.5) nm Nutzeranlage 100 nm 10 nm Europäischer Röntgenlaser XFEL: 2,5 nm 0,1 nm Genehmigt, Europaweite Finanzierung, GmbH, Bauarbeiten haben begonnen, Inbetriebnahme nm 1 Å Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 52 26
27 The end. Danke an alle KollegInnen, die FLASH und den XFEL überhaupt möglich mach(t)en und die vorne erwähnten Kollegen für manche der schönen Bilder und Animationen. Rolf Treusch Öffentlicher Abendvortrag 27. Oktober 2010 Seite 53 27
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