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  • 08.01.2018
  • von Alexander Mäder

Handliche Mikroskope für den Nanokosmos: Strahlenkanonen im Miniaturformat

von Alexander Mäder

Mit dem Strahl einer Laserkanone (links) werden die Elektronen eines Kristalls beschleunigt. Foto: N. Delbos/Uni Hamburg

Teilchenbeschleuniger müssen nicht mehr kilometerlang sein. Mit neuen Techniken passen sie ins Labor.

Teilchenbeschleuniger sind riesige Maschinen. Drei Kilometer lang ist der neue XFEL, der mit schnellen Elektronen Röntgenstrahlen erzeugt. Die Strahlen schießen durch einen Tunnel von Hamburg-Bahrenfeld nach Schenefeld in Schleswig-Holstein und durchleuchten in den Labors am Ende der Rennstrecke Moleküle. Biologen, Chemiker und Physiker wollen so verfolgen, wie sich zwei Moleküle verändern, wenn sie chemisch miteinander reagieren. Der XFEL wird daher auch als Mikroskop für den Nanokosmos bezeichnet.

Die nächste Generation der Beschleuniger

Während der XFEL seit September seine ersten Experimente absolviert, tüfteln Physiker schon an der nächsten Generation der Beschleuniger. Sie haben viel vor: Sie wollen die Leistung der Maschinen um den Faktor 10, 100 oder gar 1000 verbessern – und rechnen damit, dass sie gut 20 Jahre dafür benötigen werden. In Hamburg arbeiten zwei Gruppen an Varianten des neuen Konzepts: In einem Plasma wollen sie die Elektronen auf sehr kurzen Strecken sehr stark beschleunigen, um daraus Röntgenstrahlen zu erzeugen.

Wenn es funktioniert, könnte man den XFEL auf drei Meter Länge schrumpfen lassen, sodass er in jedes Labor passt. Er wäre dann auch für viele Forschungseinrichtungen erschwinglich, während der XFEL mehr als eine Milliarde Euro gekostet hat. Dann müssten Forscher auch nicht mehr um Platz und Zeit an den großen Beschleunigern konkurrieren, wenn sie ein Experiment machen wollen. „Die Miniaturisierung wird ganz neue Möglichkeiten der Forschung eröffnen – auch solche, an die man heute noch gar nicht denkt“, sagt der Physiker Andreas Maier von der Universität Hamburg. Herkömmliche Lichtmikroskope seien schließlich vielseitige Werkzeuge und hätten eine Fülle von Entdeckungen ermöglicht. Das werde bei den Hochleistungsmikroskopen nicht anders sein.

Licht in dünnen Scheibchen

Parallel dazu arbeiten andere Forschergruppen daran, die Beschleunigung in einem Plasma für die Medizin nutzbar zu machen. Mit kleineren Geräten wäre es möglich, den Körper in hoher Auflösung zu scannen oder Tumore zu bestrahlen. Die Experimentieranlage mit dem Namen „Lux“, die Maiers Gruppe zusammen mit dem Forschungszentrum Desy entwickelt, ist in einem ehemaligen Bunker untergebracht, dessen dicke Wände die Röntgenstrahlen abschirmen. Sie erzeugte nach fast fünf Jahren Bauzeit im Juli zum ersten Mal Röntgenlicht und hielt im November einem 24-stündigen Dauerbetrieb stand. Im Erdgeschoss steht, unter roten Abdeckungen verborgen, der Laser, der die Anlage antreibt. Er liefert Lichtpulse mit einer gigantischen Leistung von 200 Billionen Watt. Weil die Pulse wirklich kurz sind, bilden die Lichtteilchen keinen langen Strahl, sondern dünne Scheibchen. Es sind bisher nur einige Pulse pro Sekunde, während der XFEL ganze 27.000 schafft.

In einem Tunnel im Keller stoßen die Lichtscheiben auf das Herzstück der Anlage: einen kleinen Kristall, durch den in einem nur wenige Millimeter langen Röhrchen Wasserstoffgas strömt. Wasserstoff ist das einfachste Element: Die Atome bestehen aus einem positiv geladenen Proton, um das ein negativ geladenes Elektron kreist. Das Gas wird zu einem Plasma aufgeheizt, sodass sich Protonen und Elektronen trennen und durcheinanderwirbeln. Die Lichtpulse schieben die leichten Elektronen zur Seite, als würde ein Schiff durchs Plasma fahren. Die Elektronen werden jedoch von den Protonen, die sich kaum bewegt haben, wieder angezogen. Das starke elektrische Feld sammelt die Elektronen im Kielwasser des Laserpulses und lässt sie ihm hinterherschießen. Dadurch beschleunigen die Elektronen auf wenigen Millimetern fast bis auf Lichtgeschwindigkeit.

Elektronen auf Schlingerkurs

Anschließend werden die Elektronen – wie beim XFEL – durch Magnete auf einen Schlingerkurs gezwungen. Das passiert in einem „Undulator“. Die Elektronen geben daraufhin die gewünschte Röntgenstrahlung ab. Für die Besucher haben Andreas Maier und seine Kollegen die Anlage in unterschiedlichen Farben beleuchtet. Die ersten Meter, in denen der Laserstrahl ankommt und fokussiert wird, sind in rotes Licht getaucht. Die Laufstrecke der Elektronen leuchtet blau, und hinter dem Undulator wird die Stahlröhre, in der die Röntgenstrahlen entlanglaufen, violett angestrahlt.

Statt die Beschleuniger zu miniaturisieren, kann man auch die Leistungsfähigkeit der bisherigen Maschinen verbessern. Der Nachfolger des XFEL könnte den drei Kilometer langen Tunnel mit neuer Technik füllen und bis zu tausendmal bessere Röntgenstrahlen liefern, mit denen man noch tiefer in den Nanokosmos eindringen kann – vorausgesetzt, das neue Konzept geht auf.

Für diesen Zweck eignet sich eine Variante der Plasmabeschleunigung, an der Jens Osterhoff mit seinem Team forscht. Die Physiker nutzen am Desy den 300 Meter langen Beschleuniger „Flash“ für ihre Experimente. Flash war eine Testanlage für den großen XFEL: Auch sie beschleunigt Elektronen, die anschließend im Undulator Röntgenstrahlung abgeben. Osterhoff will in den nächsten Monaten die Elektronen abzweigen und in einen Kristall mit Wasserstoffplasma schießen. Diese Elektronen werden dann die Elektronen aus dem Wasserstoff auf noch höhere Geschwindigkeiten beschleunigen; „FlashForward“ heißt das Experiment.

Der erste Plasmabeschleuniger? Ein Wettrennen unter Physikern

Am Stanford Linear Accelerator, einem großen Beschleuniger in den USA, hat man es vor einigen Jahren auf diesem Weg geschafft, die Bewegungsenergie der Elektronen zu verdoppeln. Seitdem ist der Wettbewerb eröffnet: Mehrere Teams weltweit arbeiten daran, einen funktionsfähigen Plasmabeschleuniger zu bauen. „Der Wettbewerb ist hart, aber freundschaftlich“, sagt Maier. Dass Physiker von der Bewegungsenergie der Elektronen reden und nicht von ihrer Geschwindigkeit, liegt daran, dass die Teilchen nur noch wenige Stundenkilometer vom absoluten Tempolimit entfernt sind: der Lichtgeschwindigkeit. Sie noch weiter zu beschleunigen, erfordert sehr starke elektrische Felder und eine Menge Energie, deshalb ist die Energieangabe aussagekräftiger als die Geschwindigkeit.

Noch stehen die Experimente am Anfang. Andreas Maier vergleicht seine Anlage mit einem Ferrari. Nicht weil sie besonders edel und teuer wäre – sie hat nur 0,5 Prozent des XFEL gekostet. Sondern weil sie empfindlich und pflegebedürftig ist. „Jeder hätte gerne einen Ferrari“, sagt Maier, „aber was man im Alltag eigentlich braucht, ist ein zuverlässiger Golf.“ Mit seinem Team will er die Anlage so optimieren, dass sie nach dem Einschalten zuverlässig Ergebnisse liefert und nicht ständig justiert werden muss. Das sei aber reine Ingenieurskunst – und damit eine lösbare Aufgabe. Die größte Baustelle sei der Laser, denn die Qualität des Laserstrahls bestimmt die Qualität des Elektronenstrahls und diese schließlich die Qualität des Röntgenlichts. Doch den starken Laser zu kontrollieren, der sich durch viele Bauteile einfach hindurch brennt, ist nicht einfach.

In den nächsten Jahren wird es darum gehen, Schritt für Schritt immer größere Anlagen zu bauen, die sich im Dauerbetrieb bewähren. Erst werden die Physiker nachweisen müssen, dass das Prinzip nicht nur in der Theorie und bei einzelnen Experimenten funktioniert. Und dann, ob sie die Technik auch im großen Stil beherrschen. Die nächste Generation der Physiker ist jedenfalls interessiert: Es melden sich mehr Nachwuchsforscher bei ihm, als er annehmen kann.

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