Mit ultrakurzen Momentaufnahmen zum Molekülkino

Ultraschneller Röntgendetektor erfolgreich getestet

08.01.2015 - Deutschland

Wissenschaftler von European XFEL haben den ersten ultraschnellen Röntgendetektor für Experimente an der Forschungseinrichtung, die derzeit in Hamburg gebaut wird, erfolgreich getestet. Der Detektor mit dem Namen LPD (Large Pixel Detector) soll ab 2017 bei einem wissenschaftlichen Instrument des Röntgenlasers eingesetzt werden, um ultraschnelle Vorgänge wie die Bildung und das Lösen chemischer Bindungen zu beobachten. Der erfolgreiche Test ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum „Molekülkino“, das Wissenschaftlern helfen soll, die einzelnen Schritte chemischer Prozesse besser zu verstehen und effizientere Produktionsverfahren für die Industrie zu entwickeln. Dabei werden in Bruchteilen von Sekunden tausende von Momentaufnahmen gemacht, die dann zu einem Film zusammengesetzt werden können.

Solche Momentaufnahmen schneller Vorgänge auf molekularer Ebene sind an sehr anspruchsvolle Voraussetzungen geknüpft: Erstens müssen die Detektoren auch bei den sehr schnell aufeinanderfolgenden Röntgenblitzen – bis zu 27 000 pro Sekunde – noch scharfe Einzelbilder liefern. Da die Blitze nicht gleichmäßig über die Sekunde verteilt sind, sondern sehr dicht hintereinander in Pulszügen auftreten, muss der Detektor alle 220 Nanosekunden (eine Nanosekunde ist eine Milliardstel Sekunde) ein Bild aufnehmen können – entsprechend dem Abstand der Lichtblitze innerhalb der Pakete. Und zweitens müssen sie für sehr hohe und sehr niedrige Belichtungsintensitäten auf den einzelnen Bildern aus dem bewegten Nanokosmos noch genaue und unterscheidbare Ergebnisse liefern. Beide Tests hat der Detektor nun erfolgreich bestanden.

Die weltweit erste Röntgenlichtquelle, die gleichzeitig derart schnell aufeinander folgende Röntgenblitze mit sehr kurzer Wellenlänge und hoher Intensität – milliardenfach stärker als herkömmliche Röntgenquellen – liefern kann, wird der European XFEL sein, für den der Detektor entwickelt wurde. Da die Anlage jedoch erst 2017 in Betrieb gehen wird, testete das Detektor-Team den Detektor gemeinsam mit Wissenschaftlern von European XFEL und anderen Forschungseinrichtungen an mehreren Standorten: Zum einen bei DESY in Hamburg, wo die Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III Röntgenblitze mit passender Pulsrate und Wellenlänge, aber im Vergleich zum European XFEL sehr viel niedrigerer Intensität liefert. Zum anderen am Röntgenlaser LCLS des SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien, der Lichtblitze passender Intensität, aber in geringerer Anzahl von nur 120 pro Sekunde erzeugt. Bei jüngsten Tests am Diamond Synchrotron bei Oxford in England konnten schließlich sogar einzelne Photonen (Lichtteilchen) nachgewiesen werden.

„Nach einer sechsjährigen Entwicklungszeit am Rutherford Appleton Laboratory hat das Projekt einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zu einem großflächigen 1 Megapixel Detektor erreicht. Unsere erfolgreichen Tests haben gezeigt, dass die Detektortechnologie funktioniert“, erklärt Markus Kuster, Gruppenleiter Detektoren bei European XFEL. „Im nächsten Schritt muss das Team nach den optimalen Betriebsparametern suchen und das Grundrauschen reduzieren.“ Äußerlich wirkt der Detektor, der nach den Vorgaben der European XFEL-Wissenschaftler am Rutherford Laboratory in Oxford, Großbritannien, gebaut wurde, trotz seiner herausragenden Leistungen eher unspektakulär: Die später im Röntgenlaser verwendete Version ist auf einer Oberfläche von einem viertel Quadratmeter mit 256 Modulen bestückt, die die Bilder aufnehmen. Bei diesen handelt es sich nicht um Fotos im herkömmlichen Sinn, sondern um aus einer Million von Lichtpunkten bestehende Röntgenbeugungsbilder, aus denen die Wissenschaftler mit Hilfe von Computern die gewünschten Informationen berechnen können.

Zum Einsatz kommt der Detektor am European XFEL ab 2017 zunächst am Instrument FXE (Femtosecond X-ray Experiments), an dem mit Hilfe der einzigartig hohen Zahl von Lichtblitzen pro Sekunde ultraschnelle Reaktionen und molekulare Abläufe untersucht werden sollen. „Wir freuen uns über den ersten Detektor der Welt, der speziell für die Aufnahme von Beugungsmustern von reagierenden Molekülen in Lösung gebaut wurde“, erklärte Christian Bressler, der als leitender Wissenschaftler bei European XFEL für das FXE-Instrument verantwortlich ist. Für weitere Instrumente am European XFEL, die beispielsweise der Strukturaufklärung von Biomolekülen, dem Beobachten extremer Zustände wie im Inneren von Sternen und Planeten, materialwissenschaftlichen Untersuchungen und andere Anwendungen dienen, entwickelt die Detektorgruppe gemeinsam mit externen Partnern weitere hoch optimierte Detektoren.

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