FLASH beschleunigt Elektronen fast auf Lichtgeschwindigkeit. Anschließend zwingen spezielle Magnetanordnungen, die „Undulatoren“, die Elektronen auf einen Slalomkurs. In den Kurven geben die schnellen Teilchen Röntgenlichtblitze ab, die sich überlagern und im Gleichtakt schwingen. Auf diese Weise erzeugt FLASH unvorstellbar intensive, ultrakurze Lichtblitze im Bereich von Femtosekunden – also billiardstel Sekunden. Damit lassen sich beispielsweise chemische Reaktionen filmen, die ebenfalls in Femtosekunden-Geschwindigkeit ablaufen. FLASH ist die Pionieranlage, an der wichtige Grundlagen für Filme aus dem Nanokosmos erforscht wurden.

Chemische Reaktionen filmen

Um die Details einer chemischer Reaktionen zu beobachten, machen die Forschenden unzählige einzelne Aufnahmen, die alle Stadien der Reaktion erfassen. Aneinandergereiht ergeben sie einen „Film“, der das molekulare Geschehen zeigt. Mit Röntgenlasern wie FLASH können Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verfolgen, was wirklich auf der Ebene von Atomen und Molekülen geschieht und diese Erkenntnisse nutzen, um neue Werkstoffe und Medikamente zu entwickeln.

TESLA-Beschleunigertechnologie

Eine Besonderheit von FLASH ist der Einsatz supraleitender Beschleunigertechnik, um die Elektronen auf hohe Energien zu bringen. Diese bahnbrechende Technologie entwickelte DESY gemeinsam mit 50 Instituten aus zwölf Ländern im Rahmen der internationalen TESLA Technology Collaboration. Anders als in konventionellen Anlagen arbeiten die TESLA-Beschleunigungselemente supraleitend: In den auf minus 271 Grad Celsius gekühlten Resonatoren fließt der Strom verlustfrei, so dass praktisch die gesamte eingespeiste elektrische Leistung auf die Teilchen übertragen werden kann – eine äußerst effiziente Methode der Beschleunigung. Außerdem liefern die supraleitenden Resonatoren einen sehr feinen und gleichmäßigen Elektronenstrahl von extrem hoher Qualität. Ein solcher spezieller Teilchenstrahl ist die Voraussetzung dafür, einen Freie-Elektronen-Laser im Röntgenbereich überhaupt betreiben zu können.

Prinzip der Freie-Elektronen-Laser

Das besondere Röntgenlaserlicht wird in einem Freie-Elektronen-Laser nach einem ausgeklügelten Prinzip erzeugt: Beim Slalomkurs durch eine periodische Magnetanordnung (Undulator) strahlen die Elektronenpakete Licht (Photonen) einer festen Wellenlänge aus. Der Photonenstrahl breitet sich geradlinig aus und überlappt mit dem Elektronenpaket. Er prägt den Elektronen seine regelmäßige Struktur auf, das heißt: Nach einiger Zeit ist aus der anfangs gleichmäßigen Ladungsdichteverteilung eine Aneinanderreihung von einzelnen Ladungsscheibchen geworden, die jeweils eine Lichtwellenlänge voneinander getrennt sind. Nun strahlen alle Elektronenscheibchen im Gleichtakt – das Licht kann sich zu intensiver Laserstrahlung verstärken.

Ausbau für die Zukunft

Das Interesse der internationalen Forschungsgemeinschaft an FLASH ist enorm. Deshalb wurde FLASH ausgebaut und um eine zweite Tunnelstrecke samt Experimentierhalle mit Platz für sechs Messstationen erweitert. Damit ließ sich die Nutzerkapazität von FLASH mehr als verdoppeln und der großen Nachfrage gerecht werden. Die beiden Strahlführungen können parallel, mit weitgehend unabhängig einstellbarer Wellenlänge betrieben werden.

Seit 2020 wird im Rahmen des Projekts FLASH2020+ die Wellenlänge des Röntgenlaserlichts weiter verkürzt und die Strahlqualität und Experimentierbedingungen werden weiter optimiert, um die Spitzenposition der Anlage als Röntgenlaserpionier und Vorreiter für innovative Technologien auch in Zukunft zu sichern.