Röntgenoptik

FLASH - Forschung am ersten XUV-Freie-Elektronen-Laser FLASH am DESY

Was passiert im Innern von Jupiter und Saturn ?

Um das Flügelschlagen eines Insekts oder die Bewegung von Atomen in einer Momentaufnahme zu bannen, muss mit sehr kurzen Licht„blitzen“ gearbeitet werden. Das gilt für die konventionelle Fotografie ebenso wie für wissenschaftliche Analysen.

Zudem ist aus der Diskussion um kurze und kürzeste Wellenlängen im Rahmen der Herstellung von Computerchips bekannt, dass die kleinstmögliche Ausdehnung der Strukturen größer oder allenfalls gleich der Wellenlänge ist.

Herausgefunden hat das schon Ernst Abbe (1840-1905) in seiner berühmten Gleichung über das Auflösungsvermögen eines Mikroskops. Sind die Strukturen wie im Falle einzelner Moleküle und Atome nur wenige Nanometer groß, muss die untersuchende Strahlung sehr kurzwellig sein und mindestens im Extrem-Ultraviolett (XUV) liegen.

Derzeit gibt es weltweit nur eine einzige Strahlungsquelle für Blitze im Bereich der weichen Röntgenstrahlung mit ausreichender Intensität, die auch kurz genug sind, um Molekülbewegungen darzustellen: "FLASH" - Free Electron Laser in Hamburg.

Das DESY in Hamburg betreibt die Anlage, die aus einem Linearbeschleuniger und mehreren Undulatoren besteht, in denen beschleunigte Elektronenpakete in ultrakurze Röntgenimpulse umgewandelt werden. Die Arbeitsgruppe Röntgenoptik forscht seit der Fertigstellung 2005 regelmäßig an FLASH und gehört zu den ersten Gruppen, die das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) kürzlich als Partner für den neuen Forschungsschwerpunkt "FLASH: Materie im Licht ultrakurzer und extrem intensiver Röntgenpulse" ausgewählt hat.

Mitglieder der Arbeitsgruppe installieren ein hochauflösendes XUV-Spektrometer an einem Experiment zum Studium warmer dichter Materie an FLASH im März 2007. v.l.n.r. Dr. L. Cao, Dr. U. Zastrau, Dr. I. Uschmann.

Mit Hilfe von "FLASH" erforscht die Arbeitsgruppe Röntgenoptik in Kooperation mit Kollegen der Universität Rostock und des DESY in Hamburg die Eigenschaften von „warmer dichter Materie“, wie sie beispielsweise im Inneren der großen Gasplaneten Saturn und Jupiter oder braunen Zwergen vorliegt. „Nur“ 10.000 bis 100.000 K sollen im unzugänglichen Inneren von Saturn und Jupiter vorherrschen. Heiße Materie dagegen, aus der Sterne bestehen oder die im Labor mit Hilfe von Hochleistungslasern erzeugt werden kann, weist Temperaturen von mehreren Millionen Grad auf. Diese heiße Materie lässt sich einfacher untersuchen, weil sie von sich aus sichtbare, ultraviolette und Röntgenstrahlung aussendet, die wir auf der Erde messen können. Warme Materie strahlt von selbst viel zu schwach - für die Wissenschaft ist sie deshalb bislang verborgen.

Um die warme dichte Materie dennoch zu untersuchen, muss man sie im Labor erzeugen.  In Gegensatz zu Lasern im sichtbaren Spektralbereich, die meistens heiße, inhomogene Plasmen erzeugen, kann man mit FLASH z.B. flüssige Wasserstofftröpfchen homogen heizen und so in warme dichte Materie umwandeln. Das XUV-Licht wird zugleich als Sonde benutzt, indem es an diesem Materiezustand gestreut wird. Die Art und Intensität der Streuung gibt Aufschluss über seine Temperatur und seine Dichte.

Ulf Zastrau 10/07

FLASH am DESY