TESLA Licht der Zukunft. Forschung mit dem Freie-Elektronen Laser

Transkript

1 TESLA Licht der Zukunft Meinungen aus der Laser Community Mit dem Röntgen-FEL werden einige der Es gibt wohl kaum ein anderes Wissenschaftsfeld einzigartigen Eigenschaften kohärenten Lichtes in wo der Bau einer einzigen Anlage solch enormen den 0.1 nm Wellen-längenbereich transferiert bei Fortschritt, nicht nur in einem, sondern in der gleichzeitigem Erhalt der für heutige Kombination mehrerer kritischer Parameter Synchrotronstrahlungsquellen charakteristischen bringt. Durchstimmbarkeit und mittleren Leuchtstärke. Forschung mit dem Freie-Elektronen Laser

2 Röntgenstrahlung (1895)

3 Absorptionskontrast Mikrotomograhie 3 dim. Verteilung von Calziumim im Knochen einer 65 jährigen Patienten, die an Osteoporose leidete

4 Seegras im Absorptionskontrast Absorptions- vs. Phasenkontrast Abbildung in Phasenkontrast

5 Foraminifera Muschel Abbildung über Phasenkontrast A. Snigirev et al. Dynamik? 18 kev 25 kev

6 Synchrotron-Strahlung in der Strukturbiologie Muskeln bewegen alles, aber wie bewegt sich ein Muskel? es begann bei DESY: G. Rosenbaum, K.C. Holmes & J. Witz Nature 230 (1971) Zeit aufgelöste Klein-Winkel-Streuung

7 Atomare Auflösung: Laue Diagramme Erste Laue-Aufnahmen von W. Friedrich, P. Knipping und M. von Laue an Mineral-Einkristallen im Frühjahr 1912 Laue-Aufnahme an Kohlen-Monoxyd-Myoglobin in 150 psec (M. Wulff et al., ESRF-Grenoble)

8 Beugungsbild von einem Virus Einkristall D. Stuart et al.

9 Beispiel: 20S Proteasom von Hefe Strukturmodell mit 2,4 Å Auflösung Röntgenquelle der zweiten Generation Protasom ~ Protein Atome ~1,2 Mio Bragg Reflexe, ~ in Verfeinerung M. Groll, L. Ditzel, J. Löwe, D. Stock, M. Bochtler, H.D. Bartunik & R. Huber Nature 386 (1997) 463 HASYLAB-data, beamline BW6

10 Struktur eines Virus Röntgenquelle der dritten Generation X-rays blue-tongue virus core particle of the blue-tongue virus David Stuart et al., ESRF data

11 antibiotic action on ribosomes F. Schlünzen, R. Zarivach, J. Harms, A. Bashan, A. Tocilj, R. Albrecht, A. Yonath Nature 413 (2001) Herausforderung: Kristallzucht

12 Röntgen-Strukturanalyse: Zukunftsperspektive 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

13 Abbildung eines einzelnen Bio-Moleküls mit atomarer Auflösung Lysozym einzelnes Molekül Kristall Oversampling: J. Miao, K.O. Hodgson and D. Sayre, PANS 98 (2001)

14 Coulomb Explosion der explodierende Wassertropfen optischer Laser Puls Zukunft: Röntgen-Blitze extremer Intensität

15 Coulomb Explosion von Lyzosym t=0 Coulomb explosion of Lysozyme Coulomb explosion of lysozyme (50 fs) 50 fs 3x10 12 photons/100 nm spot 12 kev LCLS t=50 fsec X-rays X-rays t=100 fsec Radiation damage interferes with atomic scattering factors and atomic positions Modellrechnungen 28 Firmename (Referentennam e) R. Neutze, R. Wouts, D. van der Spoerl, E. Weckert, J. Hajdu: Nature 406 (2000)

16 Abbildung von einzelnen Bio-Molekülen Anwendungsbeispiel mit Herausforderungen besonderer Art Vortrag: Josef Feldhaus der TESLA Röntgen FEL macht es möglich Der VUV FEL an der TESLA Test Facility erlaubt bereits heute Untersuchungen zur Coulomb Explosion an Modell Systemen

17 Entwicklung der Leuchtstärke von Röntgenquellen Röntgen Laser Alle 10 Jahre erhöhte sich die Leuchtstärke um den Faktor 1000 ESRF DORIS III Neue Quellen eröffnen neue Messmöglichkeiten, ohne dass die etablierten Anwendungen an Wert verlieren

18 Speicherring Strahlungsquellen Pionierexperimente: Kohärenz Zeitauflösung Mikrotomographie... Strukturbiologie Magnetismus Festkörperanregungen Grenzflächenphysik... Das europäische Flaggschiff European Synchrotron Radiation Facility ESRF in Grenoble, Frankreich

19 Beugung unter extremen Drucken Je kleiner die Probe, desto größer ist der erreichbare Druck

20 Freie-Elektronen Röntgen Laser Vergleich mit SR Strahlungsquellen der 3. Genaration: Dramatisch höhere Spitzenleuchtstärke (x 10 9 ) - transversal kohärente Strahlung - große Zahl von Photonen/Mode (10 9 ) - sehr viel kürzere Pulslänge ( fs) Höhere mittlere Leuchtstärke (x 10 5 ) wissenschaftliches Potential: Höheren mittleren Photonenfluß (x 10 2 ) Wilde Träume Extrapolation von bestehender Erfahrung - SR Quellen der 3. Generation - table-top Laser

21 Spontaneous radiation Automobil Forum Berlin Spektralverteilung der spontanen Strahlung eines TESLA X-FEL Undulators in einer Entfernung von 400 m von der Quelle X-rays Spontaneous radiation 1 mm 2 Blende auf zentraler Achse 100 fsec Pulslänge L = 87 m, u = 50 mm, k = 4.1, 25 GeV, 60 A

22 SASE FEL im VUV Spektroskopie im weitesten Sinne

23 Conceptual Design of a TESLA Conceptual Design 500 GeV e + e - Linear Collider with Integrated X-ray Laser Facility 1997

24 SASE FEL im harten Röntgengebiet Stanford, USA Strukturforschung im weitesten Sinne

25 TESLA Colloquium X-rays 2001 Part 1: Executive Summary 2: The Accelerator 3: Physics at an e+e- Linear Collider 4: A Detector for TESLA 5: The X-Ray Free Electron Laser 6: Appendices

26 Wissenschaft mit dem SASE X-FEL Beugungsbild eines 10 x 10 x 10 Au Clusters 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.

27 Chemische Reaktionen filmen" Nicht- Gleichgewichts- Zustände Schematische Darstellung von Übergangs-Zuständen in einer chemischen Reaktion

28 Röntgen FELs sind eine Herausforderung für Maschinenphysiker wie Nutzer: Schrittweise Realisierung Fahrplan für SASE Freie-Elektronen Laser: nm TESLA Test Facility at DESY X-rays 530, 350nm LEUTL at APS in Argonne nm VUV-FEL facility at DESY UK: 4GLS-CASIM nm SCSS SPring-8 Fahrplan SASE FEL nm SCSS SPring / nm LCLS at Stanford Italy: INFN-ENEA-CNR-Roma II Elettra-INFM nm BESSY FEL in Berlin nm X-ray FEL laboratory at TESLA

29 Freie-Elektronen SASE Laser in Japan X-rays DESY TTF achived at ~98 nm SPring-8 Compact SASE Source

30 Spektralverteilung des TESLA X-FEL Labors energy [ev] wavelength [nm] TTF VUV-FEL TESLA XFEL phase I phase II SASE undulator undulator for spont. radiation

31 Realisierung des X-FEL in zwei Schritten Realisierung von TESLA 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 LInac für X-FEL und Linear Collider zeitlich parallel

32 Bottom-up collaboration initiated by the particle physics community The TESLA collaboration Collaboration: More than 40 institutes in 9 countries Major hardware contributions from France, Italy, USA, and DESY

33 Synergien Higher Harmonics Generation Synergien 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.

34 TESLA Licht der Zukunft Woher kommt die Masse? Ein Weg zur Weltformel? Wie schmilzt, wie kondensiert Materie? Was treiben die Elektronen im Supraleiter? Was tun die Moleküle in einer Zelle? Forschung mit dem Freie-Elektronen Laser

35

36 T

37 T

38 T

39 GSI Colloquium 8 January 2002 X-FEL potential for inelastic scattering Characterisation of different spectroscopies for the study of excitations in condensed matter in frequency - wave vector space

40 Der Röntgenlaser: Photonen im Röntgen-Blitz FEL kohärente Photonen statt bisher 50 Picosekunden dauern die Pulse nur noch 100 Femtosekunden Faktor 1/1000 Speichering Undulator in den 100 Femtosekunden dauernden Pulsen gibt es mal mehr Photonen Faktor

41 Spitzenleuchtstärke des Röntgenlasers Die Spitzenleuchtstärke ist um 10 Größenordnungen höher als bei modernen Synchrotronstrahlunsquellen Der Röntgenlaser bei DESY ist etwas qualitativ Neues Jahre Synergien mit der Entwicklung der Laser im Optischen Spektralbereich

42 Herausforderung: Struktur des Ribosoms Flaschenhals Kristallisation Proteinsynthese - Eiweissfabrik

43 ECM 20 Kraków 2001 Observation of five-fold local symmetry in liquid lead Nature, 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 polyhedral 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.

44 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 perpendicular to the interface an intensity modulation with 5-fold symmetry is observed

45 Struktur in der Nähe der Fest-Flüssig-Grenzfläche System: Si(001)-Pb(flüssig) Energie: 80 kev H. Reichert et al., Nature, 408, 839 (2000)

46 ESRF-ILL Seminar 5 February 2002 Experiments at the X-ray free-electron laser Present day X-ray and neutron experiments probe in most cases equilibrium states of matter. X-rays The X-rays from the free-electron laser probe the dynamic state of X-rays matter with atomic resolution and will mainly be used to study nonequilibrium 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.

47 ESRF-ILL Seminar 5 February 2002 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 X-rays and average power of today s synchrotron radiation sources. 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.