Der Plot für Experten: Oben die Mondsichel-Verteilung im Teilchenpaket bei ausgeschaltetem 3,9-GHz-Modul, unten die lineare und dichtere Verteilung nach dem Anschalten.

Eine der Schlüsselkomponenten der neuen Ausbaustufe des FLASH-Beschleunigers hat seine Funktion unter Beweis gestellt. Das neu integrierte 3,9-GHz-Modul konnte in Testläufen die Energieverteilung in den beschleunigten Elektronenpaketen reduzieren – unter Fachleuten Linearisierung des Phasenraums genannt. Diese Optimierung erzeugt ultrakurze Teilchenpakete mit einer hohen Stromstärke, aber auch Pakete mit gleichbleibender Intensität und regelbarer Länge. So wird eine erhebliche Leistungssteigerung von FLASH erreicht.

Im FLASH-Beschleuniger werden ultrakurze Teilchenpakete durch eine zweistufige Kompression erzeugt. Dafür müssen die Pakete an der Flanke des sinusförmigen Hochfrequenzfeldes beschleunigt werden. Deshalb ist das Beschleunigungsfeld jedes einzelnen Elektrons abhängig von seiner Position im Teilchenpaket. Die Abweichung der Sinuskurve von einer geraden Linie im 1,3-GHz-Hochfrequenzfeld der normalen FLASH-Beschleunigermodule erscheint in der Paketverteilung in Form einer Mondsichel. Sie führt zu einer breiten Verschmierung des Pakets und zur Reduzierung der Spitzenstromstärke. Dieser Effekt wird durch das supraleitende „Dritte-Harmonische“-Beschleunigermodul, das mit 3,9 GHz arbeitet, ausgeglichen. Das System erlaubt außerdem die Erzeugung von Paketen homogener Intensität mit regelbarer Länge – eine Grundvoraussetzung für die gesteuerte Erzeugung von Röntgenlaserblitzen, das so genannte Seeding. Das Seeding ist eine weitere Schlüsselkomponente der FLASH-Erweiterung.

Das 3,9-GHz-Hochfrequenzsystem bei FLASH entstand in internationale Zusammenarbeit unter Federführung der Forschungszentren DESY und Fermilab. Mitarbeiter der Beschleunigergruppen und Techniker bei Fermilab bauten das supraleitende Beschleunigermodul ACC39. Andere Mitglieder der TESLA Technology Collaboration wie das Thomas Jefferson National Laboratory, das Argonne National Laboratory und die Cornell University trugen zu Entwicklung und Bau des 3,9-GHz-Moduls bei. Kollegen vom INFN in Mailand standen ebenfalls beratend zur Seite. DESY lieferte wichtige Komponenten wie die Hochspannungs-Stromversorgung, die Steuerung der Hochfrequenz und nahm das Hochspannungs-Versorgungssystem in Betrieb.

Das 3,9-GHz-Modul wird in den FLASH-Beschleuniger eingesetzt.

Im April 2009 wurde das Modul vom Fermilab zu DESY transportiert. Der erste vollständige Systemtest in DESYs Kryomodulteststand (CMTB) im Herbst 2009 erbrachte bereits eine vielversprechende Leistung. Nach dem Einbau in den Freie-Elektronen-Laser FLASH wurde das Hochfrequenzsystem seit April getestet und in Betrieb genommen.

Bei der Wiederinbetriebnahme von FLASH mit seinen neuen Komponenten war es jetzt erstmals möglich, die longitudinale Verteilung des Phasenraums mit an- und abgeschaltetem 3,9-GHz-Hochfrequenzsystem zu verglichen. Die dabei nachgewiesene Wirkung des 3,9-GHz-Systems auf den Strahl ist ein wesentliches Etappenziel bei den noch andauernden Arbeiten zur Wiederinbetriebnahme von FLASH.