Grootste röntgenlaser van Europa in gebruik

In Duitsland is onlangs de grootste en krachtigste röntgenlaser van Europa onthuld. De installatie kan maar liefst 27.000 beelden per seconde maken en daardoor veel inzicht geven in het verloop van reacties in materialen.

De onthulling werd onder meer bijgewoond door ministers en andere prominente gasten uit Europa. Dat komt ook door het feit dat de installatie tot stand is gekomen in een samenwerking tussen elf Europese landen en binnenkort twaalf, als ook het Verenigd Koninkrijk zich aansluit. Duitsland heeft het grootste deel van de financiering op zich genomen en daar (vlakbij Hamburg) is het apparaat dan ook in gebruik genomen. Nederland doet niet aan het project mee. De voorbereidingen en bouw van de installatie hebben ongeveer acht jaar in beslag genomen.

Recordsnelheid 

De zogenoemde  X-ray Free Electron Laser (XFEL) produceert extreem scherpe en ultrakorte lichtpulsen. De faciliteit genereert zo’n 27.000 pulsen per seconde, dat is 200 keer meer dan andere röntgenlasers. Deze hoeveelheid is dan ook een record. De installatie opent daarmee nieuwe mogelijkheden voor onderzoek naar materialen en snelle reactieprocessen.

Met de hulp van gespecialiseerde instrumenten, geven deze röntgen nieuwe inzichten in de atomische details en de extreem snelle processen van de nanowereld. Wetenschappers kunnen deze röntgenflitsen bijvoorbeeld gebruik om de driedimensionale structuur van biomoleculen en andere biologische deeltjes in kaart te brengen, sneller en gedetailleerder dan tot op heden mogelijk was.

Bovendien kunnen individuele snapshots van deeltjes die door de laser geproduceerd worden, samengevoegd worden tot een soort ‘moleculaire films’. Aan de hand daarvan kunnen onderzoekers de voortgang van biochemische en chemische reacties bestuderen – de basis voor de ontwikkeling van nieuwe medicijnen en therapieën of milieuvriendelijkere productiemethoden en processen om energie uit zonlicht te halen. Andere toepassingen vinden we in het werkveld van de materiaalwetenschap met de ontwikkeling van nieuwe materialen en stoffen, in de optimalisatie van media-opslag voor computers of onderzoek naar extreme materie die bijvoorbeeld gevonden wordt in exoplaneten. “Met de Europese XFEL zullen wetenschappers voorop lopen in voor ons nog onbekende werelden en geholpen worden antwoorden te vinden op vragen rondom de mensheid die het leven op onze planeet beter maken”, aldus Olaf Scholz, de burgemeester van Hamburg.

De samenstelling

De installatie bestaat uit verschillende onderdelen. Zo is er een bron die elektronen produceert. Een metaal wordt met ultraviolet licht beschoten. De elektronen leggen vervolgens een weg af door een lineaire versneller van 1,7 km lang, waar ze bijna zo snel als het licht uitkomen. Dat gebeurt in trilholten waarin microgolven energie overdragen aan de voortrazende elektronen. Die trilholten zijn supergeleidend en worden daarvoor gekjoeld tot – 271 °C.

Met behulp van magneten, de undulator genoemd, worden de elektronen in een soort slalombaan gebracht waarna de elektronen röntgenstraling produceren. De interactie tussen de elektronen en de straling zorgt ervoor dat röntgenpulsen ontstaan waarin al het licht vrijwel dezelfde fase heeft.

Meetinstrumenten

In de XFEL is het mogelijk om de versnelde elektronen naar verschillende undolatorente te leiden, die elk röntgenstraling met een bepaalde golflengte produceren: twee in het gebied van 0.05 nm – 0,4 nm en één in het gebied van 0,4 nm – 4.7 nm. Met die verschillende golflengten is een breed spectrum aan experimenten mogelijk. Aan de drie undulatoren zijn zes verschillende instrumenten gekoppeld, elk gespecialiseerd voor een bepaald type onderzoek.

Bij zo’n experiment worden de röntgenflitsen op het te onderzoeken materiaal geschoten. Het licht dat het materiaal vervolgens uitzendt wordt geregistreerd met detectoren en geanalyseerd en levert informatie over de eigenschappen van het onderzochte materiaal.

In de ondergrondse experimentenhal zijn de eerste twee instrumenten in gebruik genomen: het instrument FXE (wat staat voor Femtosecond X-Ray Experiments). Deze maakt onderzoek naar snelle reacties mogelijk en neemt ‘moleculaire filmpjes’ op. Het andere instrument is SPB/SFX (Single Particles, Clusters, and Biomolecules and Serial Femtosecond Crystallography) is ontwikkeld voor onderzoek naar de structuur en transformatie van biomoleculen en andere biologische onderdelen, zoals virussen en celcomponenten. 

De ondergrondse XFEL-installatie is gebouwd aan de rand van Hamburg, vanuit het bestaande onderzoekscentrum DESY richting Schenefeld. Alles bij elkaar heeft het zo’n 1,2 miljard euro gekost. In onderstaande video is goed te zien hoe groot de faciliteit is:

Door: Kelly Bakker

Bron + foto’s/video: XFEL/De Ingenieur