Ultrakurze Röntgenlaserpulse erstmals exakt vermessen

Die Forscher um den Doktorierenden Simon Rutishauser und seinen Gruppenleiter Christian David vom PSI waren privilegiert. Sie durften als erste Nutzer überhaupt ihre Experimente am ersten in Betrieb genommenen harten Röntgenlaser der Welt durchführen. Die als LCLS bekannte Anlage im US-amerikanischen Stanford liefert seit 2010 Laserpulse von harter Röntgenstrahlung für ausgewählte Versuche. Die einzigartigen Eigenschaften solcher harten Röntgenlaser – kurze Wellenlängen im Bereich der Grösse einzelner Atome, kombiniert mit einer ultrakurzen Pulsdauer im Bereich von 100 Femtosekunden (0,1 billionstel Sekunde) und einer enorm hohen Intensität – erlauben viele neue, interessante Experimente in Biologie, Chemie und Physik. Weltweit werden deshalb an verschiedenen Forschungsinstituten ähnliche Röntgenquellen gebaut oder geplant. Seit Mitte letzten Jahres ist mit SACLA ein weiterer Röntgenlaser in Japan im Betrieb. Weitere Projekte wie der europäische Röntgenlaser in Hamburg oder der SwissFEL am Paul Scherrer Institut sollen in den nächsten Jahren folgen.

Die Qualität der Pulse in einem Röntgenlaser zu bewahren, stellt enorm hohe Anforderungen an die Röntgenspiegel, mit denen die Pulse geformt und auf die Experimentierstationen gerichtet werden. Um diese Spiegel unter experimentellen Bedingungen zu testen, bediente sich das Forscherteam des Prinzips der Gitterinterferometrie, einer am PSI entwickelten Technik, bei der der Lichtpuls durch mehrere sehr enge Gitter geschickt wird. Die feinen Gittermuster werden mittels äusserst feiner Elektronenstrahlen auf einem Trägermaterial hergestellt; dadurch können die Gitterstrukturen auf wenige Nanometer genau positioniert werden. Dies wiederum macht eine mit anderen Instrumenten unerreichbare Genauigkeit der Winkelmessung von rund 0,5 millionstel Grad (10 Nanoradian) erst möglich.

Verbesserungen der Röntgenoptiken und der experimentellen Daten

Röntgenpulse sind genau wie sichtbares Licht elektromagnetische Wellen, deren Ausbreitung anhand der Wellenfront beschrieben werden kann. Wie bei einer Wasserwelle in einem Teich ist die Wellenfront zu jedem Zeitpunkt durch die Position der Wellenkämme gegeben. Die besondere Herausforderung lag nun darin, dass man es hier mit extrem kurzen Röntgenpulsen zu tun hatte. Den Forschern gelang es aber trotzdem, diese einzeln zu vermessen, sodass sie auf die ursprüngliche Form der Pulse schliessen konnten.

Ein zentrales Ergebnis der Beobachtungen mittels Gitterinterferometrie ist, dass die verwendeten Röntgenspiegel die Strahlung nicht unverändert ablenken, sondern (unbeabsichtigt) leicht bündeln, und zwar nur in horizontaler Richtung. Infolge dieser Verzerrung wird die Fokussierung der Röntgenstrahlung auf ein Untersuchungsobjekt beeinträchtigt. Auf die Spiegel kann man aber nicht verzichten, denn sie leiten die benötigten Röntgenstrahlen zu den Experimentierstationen und filtern dabei die unerwünschte, aber unvermeidbar mitanfallende Gammastrahlung heraus. Auf Basis der neuen Ergebnisse ist es nun möglich, die Röntgenspiegel so anzupassen, dass der abträgliche Effekt der einseitigen Fokussierung kompensiert und die volle Leistung des Röntgenlasers ausgeschöpft werden kann. Des Weiteren wurden auch komplexere Deformationen der Wellenfront beobachtet, die die Grösse des Brennpunktes nur leicht verändern, die aber von Puls zu Puls schwanken. Derartige Variationen in Intensität und Phase der Röntgenstrahlen wirken sich auch auf die Messdaten aus, die zum Beispiel in einem Experiment zur Strukturbestimmung eines biologischen Moleküls aufgenommen werden. In solchen Experimenten werden mit mehreren Röntgenpulsen Daten gesammelt und dann gemittelt. Verlässlich ist der Mittelwert aber nur unter der Annahme, dass die Eigenschaften der Röntgenstrahlen von einem Puls zum nächsten gleich bleiben. Gibt es jedoch Schwankungen zwischen den Pulsen, wie hier beobachtet, können Messungen mit Gitterinterferometrie Abhilfe schaffen. Man würde nämlich erst die Form jedes einzelnen Pulses messen und die gemessenen Schwankungen bei der Berechnung des Mittelwerts berücksichtigen.

Besseres Verständnis der Prozesse in einem Röntgenlaser

Alle bisher gebauten oder in Planung befindlichen Röntgenlaser basieren auf dem Prinzip des Freie-Elektronen-Lasers. Dabei werden Elektronenpakete erst auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dann auf eine Slalombewegung gebracht, bei der sie ultrakurze, hochintensive Röntgenpulse aussenden. Die Ablenkung der Elektronen auf diese Slalombahn geschieht im Undulator, einer Anordnung von aneinander gereihten Magneten mit abwechselnder Polarität. Die Undulatoren an der LCLS erstrecken sich über 130 Meter, und es ist zunächst nicht klar, wo genau sich die Lichtquelle befindet, also der Punkt, an dem die Elektronen die Röntgenpulse abstrahlen. Den Forschern gelang es nun erstmals, die exakte Position des Quellpunktes für jeden einzelnen Röntgenpuls experimentell zu bestimmen. Dies erforderte feinste Präzisionsarbeit, denn sie bedienten sich dabei nur der Messungen an einem winzigen Lichtfleck. Die Röntgenpulse haben nämlich an der Experimentierstation, die etwa 200 Meter von der Quelle entfernt ist, einen Durchmesser von nur 0,5 Millimeter. Die experimentelle Bestimmung der Position des Quellpunktes im 130 Meter langen Laser sowie ihrer Verschiebung von einem Puls zum nächsten ist von grossem Interesse, war dies doch bisher nur näherungsweise aus Simulationen bekannt. Den Forschern gelang auch die Ortung der Quellpunktposition als Funktion von Beschleunigereinstellungen. Das soll in Zukunft zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit des Röntgenlasers führen. Die Autoren der Studie gehen davon aus, dass sich diese am PSI entwickelte Technik bald zu einer Standardmethode an Röntgenlasern etabliert.

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Mensch und Gesundheit, sowie Energie und Umwelt. Mit 1500 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 300 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.