Röntgenlaser wie der European XFEL und zukünftige Elektron-Positron-Linearbeschleuniger stellen höchste Anforderungen an die Qualität der Elektronenstrahlen. Die Elektronenpakete eines Strahls müssen aus einer sehr großen Anzahl von Elektronen bestehen, die sich in möglichst großer Ordnung und stark gebündelt in den Beschleuniger fädeln lassen – d.h. die Teilchenstrahlen müssen eine extrem kleine Emittanz besitzen. Die Emittanz hängt von Größe und Öffnungswinkel des Strahls ab und ist ein wichtiges Maß für die Qualität eines Teilchenstrahls: Je niedriger die Emittanz, umso besser lässt sich der Strahl fokussieren. Am Teststand PITZ entwickeln und testen die DESY-Forschenden lasergetriebene Hochfrequenz-Elektronenquellen, die Teilchenstrahlen mit dieser erforderlichen hohen Qualität erzeugen können.

Ergänzend zu Simulationsrechnungen und theoretischen Ansätzen untersuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an PITZ die Prozesse, die bei der Erzeugung, Beschleunigung und Formung der Elektronenpakete eine Rolle spielen. Ihr Ziel ist es, die Strahlqualität und Betriebsparameter, beispielsweise die Betriebszuverlässigkeit, der Teilchenquellen zu optimieren, um den hohen Anforderungen der neuen Anlagen gerecht zu werden.

Elektronenpakete mit weltbester Emittanz

Um Elektronenstrahlen mit der für den European XFEL benötigten Qualität zu erzeugen, lenken die Forschenden bei PITZ hochpräzise, ultraviolette Lichtblitze auf eine Photokathode, die sich an der Stirnseite eines Hohlraumresonators befindet. Entsprechend dem photoelektrischen Effekt setzen die Laserblitze aus der Kathode Elektronen frei, die mit Hilfe eines hochfrequenten elektromagnetischen Felds abgezogen und beschleunigt werden.

Die Qualität der erzeugten Elektronenpakete wird hauptsächlich dadurch beeinträchtigt, dass sich die Teilchen aufgrund ihrer gleichen Ladung gegenseitig abstoßen. Nur durch eine schnelle Beschleunigung der Elektronen und die Anwendung eines externen Magnetfelds, das wie eine Linse wirkt, können die Teilchen ausreichend gebündelt werden. Sie verlassen dann den Resonator als dichtes Paket.

Entlang des anschließenden Strahlrohrs misst das PITZ-Team die Eigenschaften der Elektronenpakete sehr genau, um ein exaktes Bild der physikalischen Prozesse bei ihrer Erzeugung zu erhalten und die Elektronenquelle entsprechend optimieren zu können. Gemessen werden unter anderem die zeitliche Länge, Energieverteilung und räumliche Ausdehnung der Elektronenpakete; zudem wird bestimmt, wie gut die Flugbahnen der einzelnen Teilchen parallel verlaufen. Je besser man diese Parameter optimieren kann, umso intensiver ist das Röntgenlicht, das der European XFEL produziert.

So erzeugt das PITZ-Team stabile Elektronenstrahlen mit der weltbesten Emittanz – die also, wie für den European XFEL erforderlich, einen besonders kleinen Durchmesser besitzen und nicht auseinanderlaufen.