Suche

zur Hauptseite

Navigation und Service


Hochpräziser Lichtchopper aus Jülich ermöglicht Pulsauswahl

19.05.2015 - Ein Team von Wissenschaftlern und Ingenieuren vom Forschungszentrum Jülich, dem Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik Halle und dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat einen Megahertz-Lichtchopper für den Elektronenspeicherring BESSY II am HZB entwickelt, der als hochpräziser Röntgenfilter fungiert. Das Instrument ermöglicht es Forschern, gezielt einen von 400 Röntgenblitzen an BESSY II auszuwählen und für ihre Experimente, vor allem im Bereich der Materialforschung, zu nutzen. Hierdurch können sie beispielsweise hochempfindliche organische Proben mit hoher Auflösung untersuchen und zeitaufgelöste Experimente vornehmen, um physikalische, chemische oder biologische Prozesse zu beobachten. Ohne den Lichtchopper müsste für solche Messungen der Betrieb des gesamten Synchrotrons umgestellt werden, was für die meisten anderen Experimente an den ca. 50 Messplätzen erhebliche Einschränkungen bedeutet und daher für einen längerfristigen Betrieb nicht akzeptabel ist.

Der Lichtchopper wurde in Jülich am Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik, Bereich Engineering und Technologie (ZEA-1) konzipiert, gefertigt und getestet und steht nun in Berlin-Adlershof für den Dauerbetrieb an einer der etwa 50 Beamlines an BESSY II zur Verfügung. Diese Ingenieursleistung wurde jetzt im renommierten Fachjournal Optics Letters vorgestellt.

In Speicherringen wie BESSY II werden Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und im Kreis geführt. Dabei durchlaufen sie an etwa 50 Stationen spezielle Magnetfelder und strahlen seitlich Photonenpakete ab – die sogenannte Synchrotronstrahlung. Diese wird durch Stahlrohre, auch Beamlines genannt, aus dem Ring heraus zu den verschiedenen Messaufbauten geleitet, an denen Wissenschaftler ihre Proben durchleuchten. Die Wellenlängen der hoch brillanten Synchrotronstrahlung reichen dabei vom langwelligen Terahertz-Bereich über sichtbares Licht bis zur harten Röntgenstrahlung. Viele Experimente mit Röntgenstrahlung vertragen jedoch gar nicht alle der 400 möglichen Pulse pro Umlauf, sondern benötigen nur einen einzigen Puls. Aufgabe des Lichtchoppers ist es, alle anderen Röntgenpulse heraus zu filtern.

Im neuen Megahertz-Lichtchopper rotiert mit 998 Hertz eine Scheibe aus einer besonders festen Aluminiumlegierung mit 1252 schmalen Schlitzen am Rand und filtert einzelne Röntgenpulse heraus. Die Filterfunktion wird dadurch erreicht, dass einer der 70 Mikrometer breiten Schlitze sich genau dann zentral im Strahlengang befindet, wenn der gewünschte Röntgenpuls im Strahlrohr ist. Danach verschließt der Steg zwischen den Schlitzen den Strahlengang und blockiert die unerwünschten Pulse. Während der Zeit, die die Elektronen benötigen, um mit Lichtgeschwindigkeit die 240 Meter Umfang des BESSY-Rings zurückzulegen, bewegt sich die Scheibe genau so weit, dass der nächste Schlitz zentral im Strahlengang liegt – also 0,85 Millimeter weiter. Die besondere Herausforderung: Die Umlaufzeit der Elektronen im Ring beträgt gerade 800 Nanosekunden – das ist weniger als eine millionstel Sekunde. Das bedeutet, dass das Rad mit über einem Kilometer pro Sekunde – dreifache Schallgeschwindigkeit in Luft - rotieren muss und dabei enormen Fliehkräften ausgesetzt ist.

Jülicher Expertise steckt insbesondere in der Antriebstechnik mit hochpräziser Regelungselektronik, der Auslegung und Präzisionsbearbeitung der Scheibe, der Magnetlagerung und den Sicherheitsbetrachtungen des Gehäuses. Besonders aufwändig war die Entwicklung der Elektronik, die so präzise den Chopper-Antrieb mit dem BESSY II-System synchronisieren muss, dass sich immer genau dann ein Scheiben-Schlitz zentral im Strahlengang befindet, wenn der gewünschte Puls durchgelassen werden soll.

Der insgesamt etwa 35 Zentimeter große Chopper ist der erste, der mit einer solchen Genauigkeit für einen Synchrotronspeicherring entwickelt wurde. Experimentatoren an diesem Strahlrohr können nun selbst entscheiden, ob sie den gepulsten "Single Bunch Modus" – also einen gezielten Puls – oder den vollen quasi-kontinuierlichen Röntgenstrahl benutzen wollen. Insbesondere für die ultraschnelle Röntgenphysik und für Flugzeitspektroskopie-Methoden ist dies ein wichtiger Fortschritt. Ein weiterer Chopper derselben Bauart wird derzeit für eine andere Beamline an BESSY II hergestellt; Bedarf für weitere Beamlines an BESSY II, aber auch andere Synchrotrons weltweit, ist bereits angekündigt.

Originalpublikation:
Phase-locked MHz pulse selector for x-ray sources. Daniel F. Förster, Bernd Lindenau, Marko Leyendecker, Franz Janssen, Carsten Winkler, Frank O. Schumann, Jürgen Kirschner, Karsten Holldack, and Alexander Föhlisch / Optics Letters, Vol. 40, 10, (2015); doi: 10.1364/OL.40.002265
https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-40-10-2265

Querschnitt-Skizze des MHz-LichtchoppersQuerschnitt-Skizze des MHz-Lichtchoppers, dessen Scheibe (türkis) sich mit bis zu dreifacher Schallgeschwindigkeit dreht. Rot im Bild: Der Strahl in der Beamline, deren Pulse auf den äußeren Rand der Scheibe treffen. Für eine größere Ansicht bitte auf die Abbildung klicken.
Copyright: K. Holldack/HZB

Chopper an der BeamlineDer an die Beamline von BESSY II angeschlossene Lichtchopper - zu erkennen an den pinkfarbenen Halterungsschlaufen.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Chopper an der BeamlineBlick auf den Experimentierarbeitsplatz an der Beamline von BESSY II, die mit dem hochpräzisen Röntgenfilter ausgestattet ist.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Ansprechpartner:

Dr. Ghaleb Natour
Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik –
Bereich Engineering und Technologie (ZEA-1)
Telefon: 02461/61-5045
E-Mail: g.natour@fz-juelich.de

Dr. Daniel Förster
Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik –
Bereich Engineering und Technologie (ZEA-1)
Telefon: 02461/61-3083
E-Mail: d.foerster@fz-juelich.de

Pressekontakt

Birgit Pfeiffer
Telefon: 02461 / 61-9596
E-Mail: b.pfeiffer@fz-juelich.de

Weitere Informationen:

Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik - Engineering und Technologie (ZEA-1)

Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB)

Meldung des HZB: "Rad mit dreifacher Schallgeschwindigkeit zur Pulsauswahl an BESSY II" (4.5.2015)

Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik Halle

Elektronenspeicherring BESSY II (HZB)


Servicemenü

Homepage