Der Freie-Elektronen Laser FLASH
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- Innozenz Engel
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1 Der Freie-Elektronen Laser FLASH Siegfried Schreiber DESY Physik Olympiade 4. Runde 12-Apr-2012 DESY, Hamburg
2 FLASH am DESY European XFEL PETRA III FLASH2 FLASH PETRA Extension
3 Das FLASH Team > Webseite: flash.desy.de > Koordination Beschleuniger: Siegfried Schreiber Experimente: Josef Feldhaus > Support Team Bart Faatz Katja Honkavaara Rolf Treusch Mathias Vogt > Technischer Support Beschleuniger Karsten Klose, Christian Grün, Arne Brinkmann, Peter Hopf und mehr als 100 DESY-Mitarbeiter (FTE): Wissenschaftler, Ingenieure, Techniker
4 Ein kurzer Überblick
5 Ein kurzer Überblick
6 FLASH layout Diagnostics" > Fixed gap undulator > TESLA type superconducting accelerating modules > 3rd harmonic cavity 3.9 GHz RF stations" > length ~ 27 m Accelerating Structures" Bunch Compressor" RF Gun" 5 MeV" 150 MeV" Bunch Compressor" 450 MeV" sflash" > FEL Experimental Hall Undulators" LOLA" 1250 MeV" Bypass" THz Undulator" FEL Experiments" 315 m" > FEL Experimental Hall > Normal conducting 1.3 GHz RF gun > Ce2Te cathode > Nd:YLF based ps photocathode laser > Diagnostics and matching > sflash undulators
7 Röntgenstrahlungsquellen Wilhelm Conrad Röntgen Eine Sternstunde der Deutschen Röntgenröhre Dunja Hayali Siegfried Schreiber Physik Olympiade 2012 Die Apr-12, Sternstunden 2012 der Deutschen (4) ZDF 12/2009
8 Röntgenstrahlungsquellen Wilhelm Conrad Röntgen Dreharbeiten im FLASH-Tunnel für Die Sternstunden der Deutschen Eine Sternstunde der Deutschen sternstunden.zdf.de Röntgenröhre Dunja Hayali Die Sternstunden Siegfried Schreiber Physik Olympiade 2012 Apr-12, 2012 der Deutschen (4) ZDF 12/2009
9 Röntgenstrahlungsquellen Synchrotron- Strahlungsquellen Freie-Elektronen- Laser Röntgenröhre European XFEL PETRA III ESRF Grenoble
10 Röntgenstrahlungsquellen Synchrotron- Strahlungsquellen Freie-Elektronen- Laser Röntgenröhre European XFEL PETRA III ESRF Grenoble
11 Brillanz oder Leuchtstärke 1st shot at full power Reconstructed Image klassisches Röntgen H.N. Chapman et al., Nature Physics 2, (2006) Informationen über Dynamik auf Femtosekunden- Zeitskala Kristallstrukturbestimmung mit atomarer Auflösung
12 Ein wenig Slang
13 Wie kurz sind 100 fs? Licht benötigt 1.3 Sekunden von der Erde zum Mond
14 Was meint Homer dazu? > Lichtgeschwindigkeit c = 300 µm/ps > Längen und Dauern werden oft nicht unterschieden: Die Elektronpulslänge ist 50 fs Gemeint ist dauer, die Länge ist 15 µm
15 Und wie lang ist ein Nanometer?
16 Wieviel ist ein GeV? > Würfelzucker (3 g) hat einen chemischen Energiegehalt von etwa 50 kj > Ein Elektron bei FLASH: 1 GeV = 1.6 x kj Kathode - + Anode > Wir sagen: bei einer Spannung von 1 GV wird ein Elektron auf 1 GeV beschleunigt, γ = E/mec2 = 2000 > Gemeint ist (frei nach Einstein E2 = p2 + m2) die Energie beträgt E = 1 GeV/c2 oder der Impuls beträgt p = 1 GeV/c Pallbo 2007 > Die Masse des Elektrons beträgt 511 kev << 1 GeV Gemeint ist me = 9 x kg (viel zu umständlich, und erst recht die Einheiten J = kg
17 Wie viel Energie haben unsere Photonen? > Die neben der - ihr wisst schon - wichtigste Formel (für uns) E = h ν Photoeffekt (A. Einstein) λν = c Mit hc = 1240 ev nm ist es ganz einfach: 650 nm 550 nm 262 nm 40 nm 4 nm 0.1 nm 1.9 ev 2.2 ev 4.7 ev 31 ev 310 ev 12.4 kev
18 SASE Self-Amplified Spontaneous Emission
19 Abstrahlung bei Richtungsänderung > Elektronen tragen Ladung und haben ein elektro-magnetisches Feld > Elektronen strahlen ab, zum Beispiel bei einer Richtungsänderung Elektron Elektrische Feldlinien Elektron Abgestrahltes Feld Courtesy T. Shintake
20 Abstrahlung in einem Undulator Elektrische Feldlinien Abgestrahltes Feld kommt in Wellen Undulator Elektron Courtesy T. Shintake
21 Spontane Abstrahlung > SASE startet mit spontaner Abstrahlung der freien Elektronen im ersten Teil des Undulators inkohärente Abstrahlung > Wichtig: abgestrahlte Leistung ist proportional zum Quadrat der Ladung P ~ Q 2 Elektron Gesamtleistung ~ N e q e 2
22 Kohärente Abstrahlung > Kohärente Abstrahlung von freien Elektronen durch Gruppieren der Elektronen auf einem kleinem Raum Abgestrahlte Wellenlänge größer als der Elektronen-Puls die Welle sieht ein großes Elektron mit N e -facher Ladung Q = N e q e kohärente Abstrahlung abgestrahlte Leistung ~ (N e q e ) 2 N e mal mehr Leistung als inkohärente Strahlung
23 Wechselwirkung im Undulator FEL Strahlungsfeld Elektronenbahn im Undulatorfeld > Energietransfer vom Elektronenstrahl zur Lichtwelle: transversale Impulskomponente durch Undulation > Slippage: die Elektronen sind langsamer als das von ihnen erzeugte Licht eine Resonanzbedingung muss erfüllt sein: > abgestrahlte Lichtwellenlänge identisch mit der spontanen Undulatorstrahlung selbst-induzierte Verstärkung
24 Im Undulator > Der Undulator sorgt für die Gruppierung der Elektronen ( microbunching ) Elektronen, die Energie an die Strahlung abgeben, verlieren Impuls und müssen eine Längere Bahn laufen sie bleiben zurück Elektronen, die Energie von der Strahlung gewinnen, wandern nach vorne > Je mehr Bunching einsetzt, je stärker wächst exponentiell das kohärente Strahlungsfeld transversale Ausdehnung (mm) y (mm) y (mm) longitudinale Koordinate (normalisiert zur Wellenlänge) y (mm) Simulation log (Leistung) Undulator-Länge, z
25 Der SASE Prozess > Hohe Verstärkung in einem Durchgang durch einen langen Undulator log (Leistung P) spontane Emission Exponentielle Verstärkung P(z) = P o exp(z/l gain ) Sättigung Verstärkung ~ 10 6 > Die Zahl der Elektronen im Mikropuls kann sehr hoch werden > N e ~10 6 > Verstärkung von mehr als 1 Millon Undulator-Länge, z > Gainlänge L gain ~ 1 bis 3 m, Sättigung bei ~20 L gain > Lange Undulatoren
26 FLASH Undulatoren > 6 Module, Gesamtlänge 27 m > Permanente Magnete, Abstand 12 mm fest NdFeB, Feldstärke B = 0.48 T, K = 1.23, Periode λ u = 27.3 mm > Wechsel der Wellenlänge = Anpassung der Elektronen-Energie γ
27 Wie kurz werden die Pulse? > Gruppierungen << Wellenlänge 10 nm ~0.03 fs y (mm) Simulation longitudinale Koordinate (normalisiert zur Wellenlänge) Viel Mikropulse agieren kohärent innerhalb der Kohärenzlänge von einigen Femtosekunden Gesamtlänge der FEL-Pulse einige fs bis ~100 fs
28 Der Beschleuniger
29 FLASH beschleunigt mit TESLA Technologie
30 FLASH beschleunigt mit TESLA Technologie
31 FLASH beschleunigt mit TESLA Technologie
32 FLASH Beschleuniger > Supraleitende Technologie > Sieben Module, jedes mit acht Cavities > Resonanzfrequenz 1.3 GHz > Gepulster Betrieb: Pulsdauer 800 µs bei 10 Hz > Energiegewinn: 20 bis 30 MeV pro Cavity, also 160 bis 240 MeV pro Modul > Effizienter Betrieb durch hohe Güte Q ~ (loaded Q = 2 x 10 6 ) Energy gain ~25 MV/m 1 m!
33 FLASH erreicht das Wasserfenster > Am 25-Sep-2010 erreichte FLASH das Wasserfenster mit einer Strahlenergie von 1250 MeV und einer Wellenlänge von 4.12 nm Nature photonics 1 (2007) 336
34 Das Wasserfenster Attenuation Length v. Energy Absorptionslänge Attenuation Length (µm) (um) nm 4.4 nm Wasser Kohlenstoff H2O Photonenenergie Energy (ev) (ev) C A.Sakdinawat > Das Wasserfenster ist ein Wellenlängenbereich zwischen etwa 2.3 und 4.4 nm > Kohlenstoff absorbiert jetzt wieder das FEL-Licht > Das Wasser wird für FEL-Licht immer transparenter > Es lassen sich jetzt auch biologische Proben in wässriger Lösung untersuchen
35
36 SASE Parameters für 4 nm Vorläufige Daten für 4 nm: > Energie 160 µj (max.) > Leistung ~ 2 GW (Spitze) > Bandbreite 1 % FWHH > Brillanz (im Puls) B ~ Photonen/s/mrad 2 /mm 2 /0.1%bw FLASH preliminary Einheit: Zahl der Photonen pro Zeit pro Raumwinkel pro Fläche pro 0.1% Bandbreite der Wellenlänge
37 FLASH Parameter 2011 FEL Radiation Parameters 2011 Wavelength range (fundamental) nm Average single pulse energy µj Pulse duration (FWHM) fs Peak power (from av.) 1 3 GW Average power (example for 3000 pulses/sec) ~ 300 mw Spectral width (FWHM) ~ % Average Brilliance * Peak Brilliance * * photons/s/mrad 2 /mm 2 /0.1%bw > Up to now 155 publications on photon science at FLASH, many in high impact journals
38 FLASH Experimentierhalle BL1 PG2 PG1 BL2 BL3 Sichtbarer Laser THz Strahlung FEL Strahlung
39 Bild eines Mimivirus aufgenommen bei FLASH Measured Beugungsbild desdiffraction Virus q 0 Graphic: wikipedia.org Rekonstruktion Reconstruction (13 nm)-1 Wellenlänge = 7 nm Pixel = 30 µm Data nx = 1024 q_max ist bei 15.4 mm CCD z = 30 mm NA ~ 0.51 FEL CCD (hairy Mimi) H. Chapman et al. 600 nm
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