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Röntgenlaser kalibriert

Besonders interessant für:
  • Anwendungen von Röntgenlasern
  • Materialstrukturuntersuchungen
  • Beschleunigertechnik

Mitarbeiter der PTB haben kürzlich an der neuen, gut 700 m langen Röntgenlaseranlage SACLA in Japan gemeinsam mit Kollegen des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY), des japanischen Forschungszentrums RIKEN und des japanischen Metrologieinstituts AIST/NMIJ absolute Photonenflüsse und Impulsenergien im Photonenenergiebereich um 10 keV mit zwei unabhängigen Methoden gemessen. SACLA befindet sich seit Sommer 2011 in Betrieb und ist der weltweit erste Freie-Elektronen-Laser (FEL) für den harten Röntgenbereich.

Gas monitor detector (GMD) for the measurement of the photon flux at an
FEL beam (vertically to the image plane) by photoionization of a gas at a gas pressure in the range of 10–3 Pa and electrostatic extraction (horizontally) and detection of photoions and photoelectrons.

Die Geschichte der auf Elektronen-Linearbeschleunigern basierenden FEL zur Erzeugung von Femtosekunden-Laserimpulsen im weichen und harten Röntgengebiet nach dem Prinzip der „Self- Amplified Spontaneous Emission“ (SASE) begann vor gut zehn Jahren mit FLASH, dem Free-electron LASer in Hamburg. Er hieß damals noch Tesla-Test-Facility (TTF) und emittierte elektromagnetische Strahlung bei nur 0,01 keV. Um für FELExperimente die starken statistischen Intensitätsschwankungen des SASE-Prozesses zu erfassen und absolute Impulsintensitäten zu messen, wurde in Kooperation zwischen PTB, DESY, Hamburg, und dem Ioffe-Institut, St. Petersburg, ein Gas-Monitor-Detektor (GMD) entwickelt und bereits bei TTF getestet. Er detektiert die Röntgenstrahlung über die Photoionisation atomarer Gase und den Nachweis von Photoionen und Photoelektronen. Das gasförmige Detektionsmedium ist strahlungsbeständig und wegen des niedrigen Gasdruckes im Bereich von 10–3 Pa fast vollständig transparent (s. PTB-News 3/2011).

Bei FLASH sind GMD heute als permanenter Bestandteil der Online-Photonendiagnostik in Betrieb. Darüber hinaus wurden in den letzten Jahren an allen fünf FEL weltweit verschiedene GMDVersionen für Intensitätsmessungen eingesetzt. Die Kalibrierung der Detektoren erfolgte jeweils mit Synchrotronstrahlung in den PTB-Laboratorien an den Speicherringanlagen BESSY II und MLS in Berlin.

Neben der absoluten Messung von Photonenfluss, Impulsenergie und Strahllage über lineare Photoionisation wurden in den letzten Jahren auch Methoden entwickelt, mit denen der Durchmesser eines FEL-Mikrofokus oder die Dauer der Femtosekunden-Impulse über nichtlineare Photoionisationsprozesse bestimmt werden können. Die Untersuchungen erstrecken sich mittlerweile auch auf grundsätzliche Fragen der nichtlinearen Photoionisation im Röntgenbereich. Auf der Agenda der Kooperationspartner steht in den kommenden Monaten jedoch vor allem die Charakterisierung von GMD für den 3,4 km langen European XFEL in Hamburg, der im Jahr 2015 bei Photonenenergien bis zu 25 keV in Betrieb gehen soll.

Ansprechpartner:

Mathias Richter
Fachbereich 7.1 Radiometrie mit
Synchrotronstrahlung
Telefon: (030) 3481-7100
E-Mail: mathias.richter(at)ptb.de