Quelltext der Seite European XFEL

[[Datei:European XFEL countries.svg|mini|Die European-XFEL-Mitgliedsländer sind dunkelblau markiert.]]

Der '''European XFEL''' ist eine internationale Röntgenlaser-Forschungseinrichtung in [[Hamburg]] und [[Schenefeld (Kreis Pinneberg)|Schenefeld]], an der zwölf Länder beteiligt sind und die eng mit dem Forschungszentrum [[DESY]] und weiteren internationalen Partnern zusammenarbeitet. Die Bezeichnung ''XFEL'' kombiniert ''X-Ray'', also [[Röntgenstrahlung]], mit ''Free-Electron Laser'', also [[Freie-Elektronen-Laser]]. In der Anlage sind mittels Röntgenblitzen dreidimensionale Detailaufnahmen von Molekülen, Zellen, Viren und chemischen Reaktionen möglich.

== Entstehung, Charakteristik, Umfang ==
Im Februar 2003 gab das [[Bundesministerium für Bildung und Forschung]] „grünes Licht“ für eine Röntgenlaser-Einrichtung, die als europäisches Projekt bei DESY verwirklicht werden soll. Der European XFEL ist eine 3,4&nbsp;km lange Anlage, mit der Laserstrahlung mit Wellenlängen von 0,05 bis 4,7&nbsp;[[Nanometer]]n (Röntgenstrahlung) erzeugt werden kann.<ref name="ZuF">{{Internetquelle |url=https://www.xfel.eu/anlage/ueberblick/zahlen_und_fakten/index_ger.html |titel=Zahlen und Fakten |datum=2023-12-21 |abruf=2023-12-21}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=http://www.desy.de/forschung/anlagen__projekte/european_xfel/index_ger.html |titel=European XFEL |hrsg=DESY |abruf=2018-02-11}}</ref> Die Tunnel reichen vom DESY-Gelände in Hamburg bis ins schleswig-holsteinische Schenefeld, wo sich der Forschungscampus mit einer unterirdischen Experimentierhalle befindet. Die Bauarbeiten für die größtenteils unterirdische Anlage dauerten von 2009 bis 2016.<ref name="ZuF" /> Die feierliche Eröffnung mit Vertretern aus Politik und Wissenschaft fand im Oktober 2016 statt. Im Mai 2017 wurde der erste Röntgenlaserstrahl erzeugt,<ref>[http://orf.at/#/stories/2390032/ Erfolgreicher Test für weltgrößten Röntgenlaser] orf.at, 4. Mai 2017, abgerufen am 11. Februar 2018.</ref> Anfang September 2017 wurde die Anlage offiziell eingeweiht und der Forschungsbetrieb begonnen.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.xfel.eu/aktuelles/news/index_ger.html?openDirectAnchor=1323&two_columns=0 |titel=Internationaler Röntgenlaser European XFEL eröffnet |datum=2017-09-01 |abruf=2018-02-11}}</ref>

=== Finanzierung ===
Die Baukosten einschließlich der Inbetriebnahme betrugen laut Internetseite der Forschungseinrichtung 1,22 Milliarden Euro (Preisniveau des Jahres 2005).<ref name="ZuF" /> Davon trug Deutschland (Bund, Hamburg und Schleswig-Holstein) als Sitzland 58 Prozent, der Rest wurde von den Partnerländern finanziert. Russland übernahm 27 Prozent, die anderen Partner zwischen je einem und drei Prozent. Insgesamt sind zwölf Länder am European XFEL beteiligt: Dänemark, Deutschland, Frankreich, Italien, Polen, Russland, Schweden, die Schweiz, die Slowakei, Spanien, Ungarn und das Vereinigte Königreich.<ref name="ZuF" />

== Technik ==
Elektronen werden in einem 1,7 km langen [[Linearbeschleuniger]] auf Energien bis zu 17,5 [[Elektronenvolt|GeV]] beschleunigt. Der Beschleuniger nutzt 768&nbsp;[[Supraleiter|supraleitende]] Resonatoren des [[TESLA (Teilchenbeschleuniger)|TESLA]]-Typs, die in 96 Modulen zusammengefasst sind.<ref>[https://www.xfel.eu/anlage/beschleuniger/index_ger.html European-XFEL-Webseite: Beschleuniger] Abgerufen am 30. Oktober 2024.</ref> Dieser Resonatortyp wird auch in der Vorgängeranlage, dem Freie-Elektronen-Laser [[DESY#FLASH|FLASH]] am DESY, und in anderen Elektronenbeschleunigern (z.&nbsp;B. [[ELBE (Strahlungsquelle)|ELBE]]) erfolgreich eingesetzt. Der beschleunigte Elektronenstrahl durchläuft wahlweise einen von derzeit drei verschiedenen [[Undulator (Synchrotron)|Undulatoren]] und erzeugt dadurch Pulse von [[Synchrotronstrahlung]] im Röntgenbereich mit Wellenlängen von 0,05 bis 4,7&nbsp;Nanometer (Photonenenergie 0,26 bis 25&nbsp;keV) und Pulsdauern von unter 100&nbsp;[[Femtosekunde]]n. Die Folgefrequenz beträgt 27000 pro Sekunde.<ref>{{Heise online |ID=3820463 |Titel=Röntgenlaser European XFEL nimmt Forschungsbetrieb auf |Autor=Ulrike Kuhlmann |Datum=2017-09-02 |Abruf=2018-02-04}}</ref>

== Anwendungen ==
Aufgrund der kurzen [[Wellenlänge]], der hohen [[Brillanz (Strahlung)|Brillanz]] und der geringen Dauer der Röntgenpulse im [[Femtosekunde]]n-Bereich hat die Einrichtung vielfältige Anwendungen in der Forschung in Fachgebieten wie der [[Physik]], [[Chemie]], [[Materialwissenschaft]], [[Biologie]] und [[Nanotechnologie]]. An derzeit sieben Messplätzen sind Forscher in der Lage, chemische Reaktionen zu filmen und [[dreidimensional]]e Aufnahmen von Strukturen im [[Nanometer]]bereich, wie z.&nbsp;B. von [[Molekül]]en, zu machen.<ref>[https://www.xfel.eu/forschung/anwendungsbereich/index_ger.html European-XFEL-Webseite: Anwendungsbereiche] Abgerufen am 11. Februar 2018{{Toter Link |datum=2025-11 |url=https://www.xfel.eu/forschung/anwendungsbereich/index_ger.html}}</ref> Hierdurch sollen neue Einblicke in Nanomaterialien, Biomoleküle und chemische Reaktionen gewonnen werden, mit deren Hilfe sich neue Materialien in den Bereichen IT, Medizin und Energieforschung entwickeln lassen.<ref>Denis Dilba: ''Die Nobelpreis-Maschine. Die teuerste Forschungsanlage Deutschlands: Unter Hamburg erzeugt ein Laser die stärksten Röntgenblitze der Welt und ermöglicht Forschung der Superlative.'' In: ''[[P.M. Magazin]]'', 07/2018, S. 60–67, hier S. 67.</ref>

== Experimentierstationen ==
European XFEL verfügt über sieben Experimentierstationen, die von Forschenden aus der ganzen Welt genutzt werden.

=== Femtosecond X-ray Experiments (FXE) ===
Die FXE-Experimentierstation ermöglicht ultraschnelle Pump-Probe-Experimente auf Zeitskalen unter 100 Femtosekunden.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.xfel.eu/facility/instruments/fxe/index_eng.html |titel=Scientific Instrument FXE |sprache=en |abruf=2024-11-01}}</ref>
Der Forschungsschwerpunkt von FXE liegt auf der Messung ultraschneller, oft nichtlinearer chemischer oder biochemischer Prozesse von Proben in Lösungen oder der kondensierten Materie mit Hilfe harter [[Röntgenstrahlung]]. Die Experimentierstation besteht aus zwei unabhängigen Röntgenemissionsspektrometern, die gleichzeitig mit einem großflächigen 1-Megapixel-Detektor für Streustudien verwendet werden können. Zur Anregung der Proben besitzt die Experimentierstation zudem einen ultraschnellen [[Laser]], der von [[Ultraviolettstrahlung|Ultraviolett]] UV bis [[Infrarotstrahlung|Infrarot]] IR durchstimmbar ist.

=== High Energy Density (HED) and HIBEF UC ===
Die Experimentierstation ist zusammen mit dem HIBEF-Nutzerkonsortium<ref>{{Internetquelle |url=https://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=712&pLang=de |titel=Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HiBEF) |abruf=2024-11-01}}</ref> (HIBEF UC) eine einzigartige Plattform für Experimente, bei denen Materie unter extremen Druck-, Temperatur- oder elektrischen Feldbedingungen mit harter Röntgenstrahlung erforscht werden können. HED und das HIBEF-Nutzerkonsortium können dabei auf optische Hochenergielaser sowie gepulste Magnete zurückgreifen.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.xfel.eu/facility/instruments/hed/index_eng.html |titel=Scientific Instrument HED |sprache=en |abruf=2024-11-01}}</ref>
Wissenschaftliche Anwendungen sind Untersuchungen von Materie wie sie unter anderem auch im Inneren von Exoplaneten vorkommen kann, von Plasmen hoher Dichte sowie von Materie unter extremen Drücken oder hohen Magnetfeldern. Das erste Nutzerexperiment fand im Mai 2019 statt.
Seither wurden weitere Geräte in Betrieb genommen und optimiert, wie die Fokussierung, das Spektrometer, die Monochromatoren oder die Probenumgebungen. Das HIBEF-Nutzerkonsortium hat eine zweite Experimentierkammer mit Diamant-Ambosszellen beigesteuert sowie spezielle Lasersysteme und eine sogenannte Laserschockeinrichtung.

=== Materials imaging and dynamics (MID) ===
Der Anwendungsbereich des MID-Experimentierstation sind materialwissenschaftliche Experimente, die die beispiellosen kohärenten Eigenschaften der Röntgenlaserstrahlen des European XFEL nutzen. Die wissenschaftlichen Anwendungen reichen von der Physik der kondensierten Materie, z. B. zur Untersuchung von Glasbildung oder Magnetismus, bis hin zu weichen, biologischen Materialien wie Kolloiden, Zellen oder Viren.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.xfel.eu/facility/instruments/mid/index_eng.html |titel=Scientific Instrument MID |sprache=en |abruf=2024-11-01}}</ref>

; Bildgebung
Die Bildgebung deckt ein breites Spektrum von Techniken und wissenschaftlichen Bereichen ab. In vielen Fällen besteht das Ziel darin, eine 3D-Darstellung der untersuchten Struktur zu erhalten. Mit Hilfe von Phase Retrieval-Methoden ist es möglich, von den gemessenen [[Beugung (Physik)|Beugungsmustern]] im reziproken Raum zu einer Visualisierung des streuenden Objekts im realen Raum überzugehen.

; Dynamik
Die komplexe Dynamik im [[Vorsätze für Maßeinheiten|Nanomaßstab]] ist von grundlegendem Interesse für die Wissenschaft der [[Kondensierte Materie|kondensierten Materie]]. Sie umfasst eine Vielzahl von Prozessen: vom [[Viskosität|viskoelastischen]] Fluss oder der [[Dissipation]] in Flüssigkeiten oder Gläsern bis hin zur [[Polymer]]dynamik, [[Protein]]faltung, kristallinen [[Phasenübergang|Phasenübergängen]], ultraschnellen [[Spin]]übergängen, [[Weiss-Bezirk|Domänenwanddynamik]], magnetischem Domänenwechsel und vielem mehr. Die extrem [[Brillanz (Strahlung)|brillanten]] und hoch[[Kohärenz (Physik)|kohärenten]] Röntgenstrahlen des European XFEL eröffnen ungeahnte Möglichkeiten zur Untersuchung der Dynamik ungeordneter Systeme bis hinunter zu atomaren Längenskalen, mit Zeitskalen von [[Femtosekunde]]n bis zu Sekunden unter Verwendung von Techniken wie Röntgen[[photon]]en-Korrelationsspektroskopie (XPCS).

=== Spectroscopy and Coherent Scattering (SCS) ===
Die Experimentierstation für [[Spektroskopie]] und kohärente [[Streuung (Physik)|Streuung]] (SCS) ermöglicht zeitaufgelöste Experimente, um die elektronischen und strukturellen Eigenschaften komplexer Materialien, [[Molekül]]e oder [[Nanostruktur]]en in ihren grundlegenden Raum-Zeit-Dimensionen zu entschlüsseln.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.xfel.eu/facility/instruments/scs/index_eng.html |titel=Scientific Instrument SCS |sprache=en |abruf=2024-11-27}}</ref>

Zu den wissenschaftlichen Zielen gehören unter anderem das Verständnis und die Kontrolle komplexer Materialien, die Untersuchung ultraschneller [[Magnetisierung]]sprozesse auf der Nanoskala, die Echtzeitbeobachtung chemischer Reaktionen in Flüssigkeiten sowie die Erforschung nichtlinearer Röntgenspektroskopietechniken, die bei optischen Wellenlängen einen Eckpfeiler bilden.

Die beiden SCS-Basisexperimentierstationen werden durch eine Chemiestation und ein hochauflösendes Spektrometer des [[Heisenberg]]-RIXS-Nutzerkonsortiums (hRIXS) ergänzt. Die Kombination von kohärenter Röntgenstreuung mit Spektroskopiemethoden ermöglicht es, sowohl atomare als auch elektronische Details und Dynamiken auf Femtosekunden-Zeitskalen mit räumlichen Auflösungen bis hinunter zu einigen [[Nanometer]]n zu untersuchen.

=== Single Particles, Clusters, and Biomolecules & Serial Femtosecond Crystallography (SPB/SFX) ===
Die Experimentierstation Single Particles, Clusters, and Biomolecules & Serial Femtosecond Crystallography (SPB/SFX) befasst sich in erster Linie mit der dreidimensionalen [[Beugung (Physik)|diffraktiven]] Abbildung und dreidimensionalen Strukturbestimmung von Objekten im Mikrometerbereich bis zu atomarer Auflösung.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.xfel.eu/facility/instruments/spb_sfx/index_eng.html |titel=Scientific Instrument SPB/SFX |sprache=en |abruf=2024-11-27}}</ref>

Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf biologischen Objekten – einschließlich [[Kristall]]en von Makromolekülen und makromolekularen Komplexen sowie [[Viren]], [[Organellen]] oder [[Zelle (Biologie)|Zellen]] – obwohl die Experimentierstation auch in der Lage ist, nicht-biologische Proben mit ähnlichen Techniken zu untersuchen. Darüber hinaus zielt die SPB/SFX-Experimentierstation darauf ab, die strukturelle Dynamik in diesen biologischen Systemen auf der Zeitskala von Millisekunden bis Femtosekunden zu untersuchen.

=== Small Quantum Systems (SQS) ===
Die Experimentierstation ist für die Untersuchung grundlegender Prozesse der [[Licht]]-[[Materie]]-[[Fundamentale Wechselwirkung|Wechselwirkung]] mit weichen Röntgen[[wellenlänge]]n bestimmt. Typische Ziele sind isolierte Spezies in der Gasphase, wie Atome, Moleküle, [[Ion]]en, [[Cluster (Physik)|Cluster]], Nanopartikel und große Biomoleküle.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.xfel.eu/facility/instruments/sqs/index_eng.html |titel=Scientific Instrument SQS |sprache=en |abruf=2024-11-27}}</ref>

Die Hauptanwendungen konzentrieren sich auf Prozesse, die bei der Bestrahlung mit ultrakurzen, hochintensiven Röntgenpulsen unter Verwendung einer Vielzahl von spektroskopischen Techniken auftreten. Insbesondere geht es um die Untersuchung [[Nichtlineares System|nichtlinearer]] Phänomene wie Mehrfachionisierung oder Multiphotonenprozesse, zeitaufgelöste Experimente zur Verfolgung dynamischer Prozesse auf der Femtosekunden-Zeitskala sowie Untersuchungen mit kohärenten [[Streuung (Physik)|Streuungstechniken]].

Die Experimente werden mit einer hochmodernen experimentellen Plattform durchgeführt, die die Vorteile der ultrakurzen Pulse, der extremen [[Brillanz (Strahlung)|Brillanz]] und der hohen [[Kohärenz (Physik)|Kohärenz]] der weichen Röntgenpulse am European XFEL nutzt. Ein leistungsstarkes und abstimmbares optisches Lasersystem steht für zeitaufgelöste Studien zur Verfügung. Für spektroskopische Untersuchungen mit [[Elektron]]en, Ionen und Photonen steht ein breites Spektrum an experimentellen Techniken zur Verfügung, ebenso wie verschiedene Aufbauten zum Einführen der Proben. Das Design der [[Spektrometer]] wurde optimiert, um die Vorteile der hohen [[Periodizität|Repetitionsrate]] zu nutzen und verschiedene Arten von [[Koinzidenz]]methoden zu ermöglichen. Die Verwendung weicher Röntgenphotonen ermöglicht die kontrollierte Anregung spezifischer elektronischer [[Schalenmodell (Atomphysik)|Unterschalen]] in atomaren und orts- oder elementspezifische Anregung in molekularen [[Target (Physik)|Targets]].

Es werden Photonenenergien bis hinunter zur [[Stickstoff]]kante (400 [[Elektronenvolt|eV]]) angeboten. Zirkulare Polarisation kann während des Laufs verfügbar werden.

=== Soft X-ray port (SXP) ===
Die SXP-Experimentierstation ist als offener Port für weiche Röntgenstrahlung konzipiert und soll das wissenschaftliche Spektrum der beiden anderen, bereits in Betrieb befindlichen Basisinstrumente am [[Self-amplified spontaneous emission|SASE]] 3 Soft [[Röntgenstrahlung|X-ray]] Undulator ergänzen, die sich auf die [[Physik]] der Atome, Moleküle und nichtlinearen [[Optik]] (siehe SQS) sowie der kondensierten Materie (siehe SCS) konzentrieren.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.xfel.eu/facility/instruments/sxp/index_eng.html |titel=Scientific Instrument SXP |sprache=en |abruf=2024-11-27}}</ref>

Die treibende Kraft hinter SXP kommt aus der Gemeinschaft der zeitaufgelösten Röntgen-[[Photoelektronenspektroskopie]], die sich mit Schlüsselfragen der Dynamik der [[Materialwissenschaft und Werkstofftechnik|Materialwissenschaft]] an Oberflächen und Grenzflächen beschäftigt. Aber auch Vorschläge zur Untersuchung [[Wertigkeit (Chemie)|hochvalenter]] Metall[[Zwischenprodukt|intermediate]] in biologischen und anorganischen [[Katalysator]]en zur Aktivierung chemischer Bindungen mittels [[Fluoreszenzspektroskopie]] werden verfolgt sowie die Erforschung hochgeladener Ionen im Lichte der [[Astrophysik]]. Die herausragenden Fähigkeiten des European XFEL ebnen den Weg für ultraschnelle Pump-Probe-Untersuchungen an der SXP-Experimentierstation, die intensive und durchstimmbare weiche Röntgenstrahlung mit vielseitigen optischen Laserkapazitäten kombiniert, die von zwei synchronisierten Femtosekunden-Lasersystemen bereitgestellt werden, deren Wellenlängenbereiche bis in den infraroten und extrem ultravioletten Bereich hinein erweitert werden können.



{{Siehe auch|Femtosekundenlaser}}

== Bilder ==
<gallery caption="Bilder vom November 2015 am DESY">
Accelerator Desy 4.JPG|Linear&#173;be&#173;schleu&#173;ni&#173;ger&#173;mo&#173;dule (XM62, …) vor dem Einbau
European XFEL DESY Bahrenfeld.jpg|Zwischengeschoss Halle Bahrenfeld
European XFEL DESY Beschleunigermodule 1.jpg|Beschleunigermodule (XM62, …) in Halle unter 20-[[Tonne (Einheit)|t]]-Portalkran
European XFEL DESY Beschleunigermodule 2.jpg|Beschleunigermodul XM69, aufgebockt
European XFEL DESY Beschleunigermodule 3.jpg|Beschleunigermodul XM46, Staubschutzhülle
European XFEL DESY Halle Bahrenfeld.jpg|Halle Bahrenfeld, Schacht mit Fallschutznetz
European XFEL DESY HF cavity.jpg|Hoch&#173;fre&#173;quenz&#173;re&#173;so&#173;nator in Ausstellungsvitrine
European XFEL DESY Magnet.jpg|Beschleunigermagnet
European XFEL DESY Test Beschleunigermagnet 1.jpg|Beschleunigermagnet, Test
European XFEL DESY Test Beschleunigermagnet 2.jpg|Beschleunigermagnet, Test
European XFEL DESY Undulator.jpg|Undulator, Pole mit Holz abgedeckt, Warnzeichen Magnetfeld
</gallery>

== Weblinks ==
{{Commonscat}}
* [https://www.xfel.eu/index_ger.html European XFEL]
* [http://xfel.desy.de/ Operation of the XFEL Accelerator] DESY (engl.)

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Coordinate |NS=53/35/19/N |EW=9/49/46/E |type=landmark |region=DE-SH}}

{{SORTIERUNG:European Xfel}}
[[Kategorie:Forschungseinrichtung (Physik)]]
[[Kategorie:Forschungseinrichtung in Hamburg]]
[[Kategorie:Internationales Forschungsprojekt]]
[[Kategorie:Deutsches Elektronen-Synchrotron]]