Gezielte Pulsauswahl an BESSY II

Skizze des MHz-Lichtchoppers

Skizze des MHz-Lichtchoppers, der sich mit bis zu dreifacher Schallgeschwindigkeit dreht.

Teams aus dem Forschungszentrum Jülich, dem MPI für Mikrostrukturphysik Halle und dem HZB haben einen extrem rasch rotierenden Megahertz-Lichtchopper entwickelt. Er ist ein Kernstück des neuen gemeinsamen Labors Uppsala-Berlin zur Extraktion des Hybrid-Pulses aus der 200-Nanosekunden-Lücke im Füllmuster.

In Speicherringen wie BESSY II kreisen kurze Elektronenpulse und erzeugen Röntgenblitze, wenn sie an einem der fast 50 Strahlrohre vorbeikommen. Viele Experimente nutzen aber gar nicht alle der 400 möglichen Pulse pro Umlauf, die der Elektronenstrahl erzeugt, sondern erfordern nur einen einzigen Puls. Damit nur dieser gewünschte Puls die Probe erreicht und alle anderen ausgeblendet werden, könnte man ein Rad mit Löchern in den Strahlengang setzen, das mit den Elektronen im Ring synchron läuft. Doch diese einleuchtende Idee war keineswegs einfach umzusetzen: Denn dieses Rad muss so schnell sein, dass es den Röntgenstrahl alle 800 Nanosekunden (ns) passieren lässt – es muss sich also mit der dreifachen Schallgeschwindigkeit von etwa einem Kilometer pro Sekunde drehen und ist dabei enormen Materialbelastungen durch Fliehkräfte ausgesetzt. Tatsächlich ist es nun einem Team aus Physikern und Ingenieuren aus dem Forschungszentrum Jülich, dem Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik Halle/Saale und dem HZB gelungen, so ein Gerät zu entwickeln und im Dauerbetrieb an einem BESSY II Strahlrohr bereitzustellen. Es besteht aus einer speziell geformten Scheibe aus einer besonderen Aluminiumlegierung, die am äußeren Rand winzige Schlitze von nur 70 Mikrometern Breite hat. Diese Schlitze bewegen sich mit dreifacher Schallgeschwindigkeit im Vakuum reibungsfrei gegen den Röntgenstrahl. Dabei wird die Drehung mit einer ultraschnellen digitalen Regelungselektronik hochpräzise (auf zwei Nanosekunden genau) gesteuert, sodass nur ein einziger Röntgenpuls aus dem gesamten Puls-Zug bei BESSY II durchkommt und andere blockiert werden. Experimentatoren können an diesem Strahlrohr nun selbst entscheiden, ob sie den gepulsten „Single Bunch Modus“ oder den vollen quasi-kontinuierlichen Röntgenstrahl benutzen wollen. „Dies ist besonders wichtig für die ultraschnelle Röntgenphysik und Flugzeitspektroskopie-Methoden, die im Zukunftsprojekt BESSY-VSR des HZB eine große Rolle spielen werden – denn hier sollen ultrakurze Röntgenpulse unterschiedlicher Länge bereitgestellt werden“, erklärt Dr. Karsten Holldack aus dem Institut Methoden und Instrumentierung der Forschung mit Synchrotronstrahlung am HZB.


Optics Letters, Vol. 40, 10, (2015); (DOI: 10.1364/OL.40.002265): Phase-locked MHz pulse selector for x-ray sources; D. F. Förster et. al