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Auf dem Weg zu einer “Steady State Micro Bunching”-Synchrotronstrahlungsquelle

10.10.2019

Intensität der Undulatorstrahlung der einzelnen Elektronenpakete, gemessen mit einer Fotodiode auf der zweiten Harmonischen bei der Wellenlänge 532 nm. Man sieht deutlich die überhöhte Strahlung der Elektronenpakete, denen im vorhergehenden Umlauf die Mikrostruktur aufgeprägt wurde.

In Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Tsinghua-Universität Peking wurde an der Metrology Light Source (MLS), dem Elektronenspeicherring der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Berlin, der Machbarkeitsnachweis für die erste Stufe des sogenannten „Steady State Micro Bunching“ (SSMB) erfolgreich erbracht. Es konnte damit erstmals an einem Speicherring gezeigt werden, dass 1 µm kurze Mikrostrukturen, die in einem einige mm langen Elektronenpaket mit einem überlagerten Laser erzeugt wurden, nach einem vollständigen Umlauf dann 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. Darum sind auf diese Weise wesentlich höhere Strahlungsintensitäten als bei den heute genutzten Synchrotronstrahlungsquellen möglich.

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. Daher ist es ein wichtiger Schritt hin zu einer SSMB-Synchrotronstrahlungsquelle, dass zum ersten Mal die Aufrechterhaltung einer aufgeprägten Mikrostruktur über einen kompletten Umlauf nachgewiesen werden konnte. Hierfür wurde die MLS in einer speziellen magnetoptischen Einstellung, dem sogenannten Low-Alpha-Modus, betrieben. In diesem 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 Elektronenpakete in der MLS haben einen zeitlichen Abstand von 2 ns, die Pulslänge des verwendeten Lasers der Wellenlänge 1064 nm betrug ca. 10 ns. Ein Umlauf der Elektronenpakete in der MLS (mit ihren 48 m Umfang) dauert 160 ns. Zur Einkopplung der Laserstrahlung und zum Nachweis der entstandenen kohärenten Strahlung wurde der MLS-Undulator in einer geraden Sektion des Speicherrings verwendet. Der Undulator wurde hierzu so eingestellt, dass die Wellenlänge der in der ersten Undulatorharmonischen erzeugten Strahlung exakt der Wellenlänge des Lasers entspricht. Die durch die Laserstrahlung mikrostrukturierten Elektronenpakete emittieren nach einem Umlauf kohärent überhöhte Undulatorstrahlung im Vergleich zu den Paketen, die nicht mit der Laserstrahlung wechselgewirkt haben (siehe Abbildung).

Die Experimente zum SSMB-Schema, die von der Tsinghua-Universität koordiniert werden, werden an der MLS fortgesetzt und weiterentwickelt.

Ansprechpartner:

R. Klein, 7.22, E-Mail: Opens window for sending emailRoman.Klein(at)ptb.de