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Mehr Licht durch Kohärenz

Auf dem Weg zu einer Synchrotronstrahlungsquelle mit höherer Intensität

PTB-News 2.2020
29.04.2020
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Radiometrie

Beschleunigerphysik

In Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Tsinghua-Universität Peking wurde an der Metrology Light Source (MLS), dem Elektronenspeicherring der PTB in Berlin, der Machbarkeitsnachweis für die erste Stufe des sogenannten „Steady State Micro Bunching“ (SSMB) erfolgreich erbracht. Dies ebnet den Weg für zukünftige Synchrotronstrahlungsquellen mit höheren Intensitäten.

Nachweis der kohärent überhöhten Abstrahlung: Nach einem vollen Umlauf um den Speicherring (Dauer 160 ns) ist die mit einer Photodiode gemessene Abstrahlung des von der Laserstrahlung mikrostrukturierten Elektronenpakets deutlich intensiver.

In Speicherringen zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung kreisen die Elektronen in einzelnen Paketen („Bunches“). Mit konventionellen elektronenoptischen Möglichkeiten kann die Länge der Pakete (typischerweise einige Millimeter) nicht so kurz gehalten werden, dass sie in die Größenordnung der Wellenlänge der Synchrotronstrahlung (einige 10 nm bis einige 100 nm) gelangt, wodurch eine kohärente Abstrahlung mit viel höheren Intensitäten möglich wäre.

Jetzt konnte erstmals experimentell gezeigt werden, dass 1 μm kurze Strukturen („Micro Bunches“), die in einem einige Millimeter langen Elektronenpaket mit einem überlagerten Laser erzeugt wurden, auch nach einem vollständigen Umlauf um den Speicherring kohärente Strahlung aussenden. Die Intensität dieser kohärenten Synchrotronstrahlung skaliert mit dem Quadrat der Anzahl der beteiligten Elektronen, im Gegensatz zu nicht-kohärenter Strahlung, deren Intensität nur linear mit der Anzahl der Elektronen geht. Das Aufrechthalten solch kurzer Mikrostrukturen während des Umlaufs im Elektronenspeicherring ist eine technisch sehr anspruchsvolle Aufgabe, denn durch die in den Magnetfeldern entstehende Strahlung – welche zu einem Energieverlust der Elektronen führt – werden solche Strukturen gewöhnlich bereits innerhalb weniger Meter des Umlaufs wieder aufgelöst.

Dieser erste Nachweis der Aufrechterhaltung einer aufgeprägten Mikrostruktur über einen kompletten Umlauf ist ein wichtiger Schritt hin zu einer SSMBSynchrotronstrahlungsquelle. Hierfür wurde die MLS in einer speziellen magnetoptischen Einstellung betrieben. Dabei hängt die Länge der Umlaufbahn des einzelnen Elektrons nur sehr wenig von dessen Energie ab. Die MLS ist der erste und derzeit einzige Elektronenspeicherring weltweit, der für diesen Betriebsmodus optimiert ist.

Die durch die Laserstrahlung mikrostrukturierten Elektronenpakete emittieren nach einem Umlauf kohärent überhöhte Strahlung im Vergleich zu den Paketen, die nicht mit der Laserstrahlung wechselgewirkt haben. Zur Strahlungserzeugung wurde hierbei der MLS-Undulator verwendet.

Die Experimente zum SSMB-Schema, die von der Tsinghua-Universität koordiniert werden, können an der MLS fortgesetzt und weiterentwickelt werden. Ziel hierbei ist die Herstellung eines dauerhaften Zustandes („Steady State“) der den Elektronenpaketen aufgeprägten Mikrostrukturen.

Ansprechpartner

Roman Klein
Fachbereich 7.2
Röntgenmesstechnik mit Synchrotronstrahlung
Telefon: (030) 3481-7140
Opens window for sending emailroman.klein(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

X. Deng, A. Chao, J. Feikes, A. Hoehl, W. Huang, R. Klein, A. Kruschinski, J. Li, A. Matveenko, Y. Petenev, M. Ries, C. Tang, L. Yan: The first experimental demonstration of the steady-state microbunching mechanism. Nature Comm., akzeptiert