Freie Elektronen Laser (FEL) werden in der Forschung genutzt, um Laserstrahlung in Wellenlängenbereichen zu erzeugen, die nicht mit konventionellen Lasern zu erreichen sind. Im infraroten (Langwellenbereich) Spektrum werden diese Laser schon seit vielen Jahren verwendet, und seit Anfang 2000 gibt es in Hamburg den ersten funktionierenden FEL im weichen Röntgenbereich (sehr kurze Wellen): der Freie Elektronen Laser in Hamburg, kurz FLASH.
Seit 2009 wird ein weiterer Röntgenlaser für den harten Röntgenbereich (Wellenlängen in der Größenordnung von Atomabständen) gebaut, der nicht mehr alleine von der Bundesrepublik Deutschland sondern von vielen Staaten aus der ganzen Welt gebaut wird: Der XFEL (für X-Ray Free Elektron Laser, Röntgen Freier Elektronen Laser). Es wird nur 3 vergleichbare Instrumente weltweit geben, eins in den USA bei San Francisco in Stanford, eins in Japan in der Nähe von Osaka, und den in Hamburg. Die beiden Instrumente in den USA und Japan liefern schon Röntgenlaserstrahlung, und an dem Instrument bei San Francisco wurden schon einige interessante Experimente erfolgreich durchgeführt.
Laser zeichnen sich nicht nur durch eine hohe Intensität des Lichts aus. Andere wichtige Eigenschaften sind, dass das Licht nur eine Wellenlänge (vergleichbar zur Farbe im sichtbaren Bereich) hat, dass es kohärent ist, und dass die Lichtpulse extrem kurz sind. Damit kann man Experimente durchführen, von denen Wissenschaftler jetzt noch träumen.
Es ist jedoch nicht ganz einfach, mit einem FEL die gewünschte Strahlung zu erzeugen: Zunächst benötigt man Elektronen, die in einem kurzen Paket beschleunigt werden müssen. Die Länge des Paketes bestimmt, wie lang der Puls der Strahlung ist. Auch wird eine Mindestanzahl an Elektronen in einem sehr kurzem Zeitintervall benötigt, um die Strahlung überhaupt erzeugen zu können. Wenn man diese kurzen Elektronenpakete dann auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt hat, werden sie durch eine lange Magnetstruktur geschickt, von der sie auf Schlangenlinien abgelenkt werden. Dabei erzeugen sie die Strahlung, die aber die Elektronenpakete beeinflusst. Erst wenn die Elektronen lange genug auf Schlangenlinien geflogen sind, erzeugen sie die Laserstrahlung im Röntgenbereich. Dahinter können dann die Wissenschaftler ihre Experimente aufbauen.
Der kleinere FEL, FLASH, hat eine Länge von 260m. Die Experimente finden in einer Halle statt, die zur EXPO2000 auf dem Parkplatz grün gebaut wurde. Manchmal ist die Halle Nachts hell erleuchtet, und man kann Wissenschaftlern bei den Experimenten zusehen, selbst wenn man nicht auf dem DESY-Gelände steht.
Zwischen 2012 und 2014 wurde FLASH ausgebaut: Ein weiterer Tunnel für eine etwa 30m lange periodische Magnetstruktur wurde neben dem alten Tunnel gebaut, und dahinter eine weitere Experimentierhalle für noch mehr Experimente. Bisher konnte bei FLASH nur ein Experiment zu Zeit gemacht werden. Jetzt ist es möglich, dass die Elektronen entweder einen Laserstrahl für ein Experiment in der alten FLASH-Halle erzeugen, oder in den neuen Tunnel abgelenkt werden, um dann dort Laserstrahlen für ein Experiment in der neuen Halle zu liefern. Jetzt können bei FLASH zwei Experimente gleichzeitig durchgeführt werden. Dieses Konzept wurde weltweit zuerst bei FLASH ausprobiert, und gleich beim ersten Versuch hat alles bestens funktioniert!
Bei N 53° 34.856 E 9° 52.943 steht man unter einer Kiefer an einem Zaun, und man kann einen Blick auf die Experimentierhallen von FLASH (rechts) und FLASH2 (links) werfen kann. Was sieht man direkt hinter dem Zaun?
Eine große Edelstahlkammer für Experimente: A=4
Eine Brücke über ein Feuchtbiotop, die am Zaun endet: A=8
Eine Kunstinstallation mit Lasern: A=12
Eine Baustelle: A=16.
Der XFEL läuft jetzt seit etwa einem Jahr, und die ersten Ergebnisse wurden schon veröffentlicht.
Auf dem Weg um das DESY-Gelände kommt man bei N 53° 34.754 E 009° 52.524 zu einer Brücke, die einen Weg zu einer der alten PETRA Experimentierhallen überquert. Diese Halle befindet sich Richtung Nordwest. Links neben dem Rolltor kann man die Gebäudenummer erkennen. Leider verdeckt die Vegetation die Gebäudenummer, weshalb es hier eine Hilfe gibt: Die Halle im Westen hat die Gebäudenummer 44, und die im Norden 46. Die gesuchte Zahl sei B.
Richtung Südost sieht man einige Leitungen, die in etwa 5m Höhe auf Stützen stehen. Was fließt durch diese Leitungen?
Kerosin, mit dem die Nano-Triebwerke der Elektronen betrieben werden, damit sie auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden können? C=3.
Flüssiges Helium, mit dem die Hohlraumresonatoren bis zur Supraleitfähigkeit abgekühlt werden, damit man die Elektronen auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigen kann? C=5.
Kaffee, damit die Techniker, Ingenieure und Wissenschaftler immer wach und bei bester Laune sind? C=7.
Der Cache befindet sich bei: N 53° 34.((A+C)*(B+C)+2*A*C-1) E 009° 52.(A*(B+C)+22*C-3).
Es muss nicht das DESY-Gelände betreten werden! Alle Stationen sind gut vom Weg aus zu sehen, und nur beim Final muss der Weg auf den letzten 2-3m verlassen werden.