Genauso wie Forschende Licht aus Speicherringen oder Freie-Elektronen-Lasern auf Materialproben lenken, um anhand der erzeugten Beugungsbilder deren molekulare Struktur zu ermitteln, sind solche Experimente auch mit Elektronen möglich. Aufgrund der geringen Eindringtiefe der Elektronen im Vergleich zu Röntgenstrahlen eignen sie sich insbesondere für Nanomaterialien. Ziel von REGAE sind deshalb sowohl zeitaufgelöste Strukturuntersuchungen an kristallisierten Materialproben als auch in-situ-Untersuchungen von Flüssigkeiten, Oberflächen und Flüssigphasen in der Nanochemie.

Molekülkino mit Elektronen

Damit die Forschenden Atombewegungen zeitaufgelöst verfolgen können, soll REGAE Elektronenpulse mit einer Dauer von nur etwa 10 Femtosekunden liefern. Der Durchmesser der Elektronenpakete beträgt rund einen halben Millimeter, die Länge nur etwa ein Fünftel des Durchmessers eines menschlichen Haars.

Die verwendete Experimentiermethode ist vergleichbar mit der eines Transmissions-Elektronenmikroskops. Treffen die Elektronen auf ein Untersuchungsobjekt, werden sie durch die Molekülstruktur der Probe abgelenkt. Die Ablenkungswinkel, die ein Maß für die Atomabstände in der Probe darstellen, werden mit Hilfe eines neuartigen CCD-Detektors mit großer Präzision gemessen. Ihre Auswertung ergibt ein Bild der atomaren Struktur der Probe zum Zeitpunkt ihrer Wechselwirkung mit dem Elektronenpaket. Da die Elektronenpulse nur Femtosekunden andauern, können die Forschenden damit die Bewegungen der Atome in den Molekülen auf dieser Zeitskala direkt beobachten.

Testanlage für die Beschleunigerentwicklung

REGAE besteht aus einer lasergetriebenen Elektronenquelle, die ähnlich wie beim Freie-Elektronen-Laser FLASH aufgebaut ist. Die Elektronenpakete werden auf eine Energie von 5 Mega-Elektronenvolt (MeV) beschleunigt und mittels eines speziellen Hohlraumresonators komprimiert, der die hinteren Teilchen im Paket beschleunigt, während die vorderen abgebremst werden. Der optische Laser, der in der Quelle das Elektronenpaket auslöst, kann gleichzeitig zur Anregung der Probe verwendet werden. Damit werden so genannte Pump-Probe-Experimente möglich, bei denen der Laserpuls in der Probe bestimmte Prozesse auslöst, die dann mit einem nachfolgenden Elektronenpuls abgetastet werden.

Über den Einsatz für Elektronenbeugungsexperimente hinaus dient REGAE aufgrund der hohen Anforderungen an die Qualität des Elektronenstrahls auch als Testanlage für die Beschleunigerentwicklung. Für die Zukunft ist außerdem eine weitere hochinteressante Aufgabe für die Anlage vorgesehen: Der Elektronenstrahl von REGAE soll in eine Plasmawelle injiziert werden, die von einem hochenergetischen Laser angeregt wird, um so die Beschleunigung bei extrem hohen Gradienten zu testen.