Durchbruch bei EMIL: Erstmalig Undulator-Strahlung am CAT-Experiment

Als das EMIL-Labor (Energy-Materials In-Situ Laboratory Berlin) vor einem Jahr im Beisein von Bundesforschungsministerin, Johanna Wanka, feierlich eingeweiht wurde, war dies ein großer Meilenstein für die Energiematerial-Forschung am HZB. Seitdem wird darauf hingearbeitet, das Röntgenlicht aus BESSY II zu den EMIL-Apparaturen durchzuleiten. Bis das BESSY-Licht zur Verfügung steht, arbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit Röntgenlicht aus einer konventionellen Laborquelle. Nun ist es den Strahlrohrverantwortlichen gelungen, die aus dem Undulator UE48 kommende Strahlung erstmalig von der BESSY II-Experimentierhalle bis in das EMIL-Labor zum CAT-Experiment zu fädeln. Dort wurde es mit einer Fokus-Messkammer quantitativ vermessen.

„Alle für den späteren Messbetrieb wichtigen Parameter wie Strahldurchmesser (108 x 56 µm²), Photonenfluss (ca. 10¹² s^-1) sowie Auflösungsvermögen (50 meV bei 400 eV) entsprechen den Erwartungen und den berechneten Werten“, sagt der verantwortliche Projektleiter, Dr. Franz Schäfers.

Damit verspricht das Strahlrohr eines der leistungsfähigsten in diesem Energiebereich zu sein. Insgesamt gibt es zwei Strahlrohre, die das Röntgenlicht aus BESSY II zum EMIL-Labor bringen. Sie sind das Bindeglied zwischen Lichtquelle und Experiment und haben eine Vielzahl von Anforderungen zu erfüllen. Die beiden zu EMIL@BESSY II führenden Strahlrohre gehören laut Schäfers „zu den komplexesten optischen Aufbauten, die bisher an einem Speicherring für Synchrotronstrahlung realisiert wurden“. Die Komplexität hat mehrere Gründe:

Die EMIL-Strahlrohre

Die weiche und harte Röntgenstrahlung wird in zwei verschiedenen Undulatoren – so heißen die magnetischen Aufbauten im Speicherring – erzeugt. Sie wird in zwei getrennten Strahlrohren transportiert, monochromatisiert und fokussiert und dann wieder in einem Punkt zusammengeführt. Dies geschieht an den drei Fokuspunkten (SISSY-I, SISSY-II und CAT). Zusätzlich gibt es zwei weitere Experimente, die ausschließlich die weiche (PEEM) bzw. die harte Strahlung (PINK) verarbeiten. Diese Vielfalt in der Lichtführung erfordert eine Vielzahl optischer Elemente ((Umlenk-)Spiegel, Beugungsgitter, Kristalle). Deren optische Spezifikation wurde vorab im hauseigenen Optiklabor überprüft und danach in Ultrahochvakuum (UHV-) Kammern hochpräzise justierbar eingemessen.

Da die Röntgenstrahlung nur kleine Ablenkwinkel erlaubt, musste das gesamte Strahlrohrsystem in einem schmalen, langen Korridor aufgebaut werden. Auf einer Grundfläche von einem Meter Breite und 60 Metern Länge befinden sich daher bis zu 6 Strahlrohre mit 17 UHV-Kammern und 26 optischen Elementen, und alles ruht auf drei unterschiedlichen Fundamenten. Das gesamte UHV-Strahlrohrsystem hat eine Länge von zirka 180 Metern.

Die nächsten Schritte

Der jetzt erreichte Meilenstein weckt die Vorfreude beim gesamten EMIL-Team auf die endgültige Fertigstellung des Laborkomplexes. Bis es soweit ist, bleibt jedoch noch viel zu tun, sagt Franz Schäfers: „Als nächstes soll das aus dem Undulator UE48 ankommende BESSY-Licht über einen weiteren Umlenkspiegel auf den SISSY-I Fokus gelenkt werden. Der Undulator U17 für die harte Röntgenstrahlung wird voraussichtlich während der kommenden Abschaltphase des Speicherrings Mitte Dezember 2017 eingebaut werden.“

Dieses Strahlrohr ist jedoch noch komplexer als das oben beschriebene. Es verfügt nicht nur über einen Plangitter-Monochromator für die erste Harmonische zwischen 700 eV und 2000 eV, sondern zusätzlich über einen Doppelkristallmonochromator (DCM) für die Strahlung der höheren Harmonischen oberhalb von 2000 eV. Dabei entsteht auf dem ersten Monochromator-Kristall reichlich Wärme, sodass mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden muss. Diese Kühl-Technologie kam bei BESSY II bisher noch nicht zur Anwendung.

Beide Monochromatoren im U17-Hartröntgenzweig werden alternativ in Betrieb sein, während die beiden Undulatoren gleichzeitig betrieben werden und somit zwei Experimente zeitgleich bedienen können.

Im EMIL-Labor widmen sich HZB-Forschende zusammen mit ihren Kooperationspartnern der Synthese sowie der in-situ- und in-operando-Röntgenanalyse von Materialien, die für die Energie-Umwandlung und Energie-Speicherung relevant sind. Dies erfolgt vor allem im SISSY-Labor des HZB. Im CAT-Labor der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) werden katalytische Prozesse für die Energie-Konversion unter realitätsnahen Bedingungen (ambient pressure) untersucht.

Sehen Sie hier im zweiminütigen Video, welche Möglichkeiten EMIL bietet.