Erstes Foto des stärksten Röntgenlaserstrahls der Welt

Unsichtbares sichtbar gemacht: Forscher haben erstmals den Röntgenstrahl des stärksten Röntgenlasers der Welt sichtbar gemacht – und in Fotos festgehalten. Möglich wurde dies, weil die extrem energiereichen Röntgenpulse des European XFEL die Stickstoffmoleküle der Luft zum Leuchten anregen. Dieses schwache Glimmen haben die Wissenschaftler nun erstmals in Fotos festgehalten.

Der 3,4 Kilometer lange European XFEL ist der größte und leistungsfähigste Röntgenlaser der Welt. Er kann 27.000 Röntgenlaserblitze pro Sekunde erzeugen und dabei eine Helligkeit erreichen, die milliardenfach höher ist als das von herkömmlichen Synchrotron-Lichtquellen. Im Oktober 2016 wurde der Bau der 3,4 Kilometer langen Anlage fertiggestellt, seit Mai 2017 erzeugt der Röntgenlaser seinen energiereichen Röntgenstrahl.

Elektronen auf Slalomkurs

Um das kurzwellige und geordnete Röntgenlicht im XFEL zu erzeugen, werden zunächst Elektronen in einem gut zwei Kilometer langen supraleitenden Linearbeschleuniger auf Tempo gebracht. Sobald die Elektronen fast Lichtgeschwindigkeit erreicht haben, zwingen Magnete in dem sich anschließenden Undulator sie auf einen Slalomkurs. Dabei werden die Elektronen in den Kurven immer wieder abgebremst und geben dadurch in regelmäßigen Pulsen Bremsstrahlung ab: die Röntgenpulse.

Im XFEL entstehen dadurch extrem kurze Pulse aus hochkonzentrierten und im Gleichtakt schwingenden Röntgenstrahlen. Dieses Röntgenlicht ist milliardenfach heller als das herkömmlicher Röntgenquellen – aber sichtbar ist es nicht. Denn die Wellenlänge der extrem energiereichen, kurzwelligen Röntgenpulse liegt weit unterhalb des für unser Auge sichtbaren Bereichs.

So deutlich sichtbar wie auf dem Foto wird der Strahl erst bei völliger Dunkelheit und einer Belichtungszeit von 90 Sekunden. © European XFEL / Jan Hosan

Stickstoffleuchten zeigt Strahl

Nun jedoch ist es XFEL-Forschern gemeinsam mit einem Fotografen gelungen, den besonderen Röntgenstrahl ihrer Anlage doch aufs Bild zu bannen. Möglich wurde das, weil der Röntgenstrahl die Stickstoffatome in der Luft zum Leuchten anregt, wenn er mit ihnen kollidiert. Das Prinzip funktioniert ähnlich wie in einer Leuchtstoffröhre, bei der die angelegte Hochspannung das Gas im Inneren der Röhre zum Leuchten bringt.

Trotz der extrem hohen Intensität des Röntgenstrahls ist das Leuchten des Stickstoffs allerdings vergleichsweise schwach und wäre mit bloßem Auge kaum zu erkennen. Doch bei völliger Dunkelheit und mit einer Belichtungszeit von 90 Sekunden lässt sich dieses schwache Glimmen doch fotografisch einfangen. Fotografiert wurde hier ein Strahl von einem Millimeter Durchmesser, der aus 800 Blitzen pro Sekunde besteht.

Da sich während der Experimente niemand in der Experimentierstation aufhalten darf, hat der Fotograf die Kamera vom benachbarten Kontrollraum aus ferngesteuert.

Quelle: European XFEL GmbH