Superkorte en snelle elektronenpakketjes opgemeten

Op dit moment werkt men in Hamburg aan de Europese 3,4 kilometer lange röntgenlaser XFEL, die in 2013 gereed moet zijn. In deze vrije-elektronenlaser worden elektronenpakketjes tot bijna de lichtsnelheid versneld, waarna ze gedwongen worden pulsen licht uit te zenden met een golflengte van ongeveer 0,1 nanometer (röntgenstraling). XFEL zal hoog energetische röntgenstraling genereren met een ongekende intensiteit en tijdsresolutie. Het is een zogenaamde vierde-generatie röntgenbron en veel krachtiger dan de derde-generatie synchrotrons. 

Hoewel XFEL al grotendeels ontworpen is, zijn er nog veel vragen te beantwoorden. Zo is er de vraag hoe je de vorm en de lengte van de ultrakorte elektronenpakketjes, die uiteindelijk de röntgenpulsen moeten genereren, kunt meten. Het meten hiervan is van groot belang om meer inzicht te krijgen in de fysische principes van het versnellen en comprimeren van ultrakorte elektronenpakketjes en het genereren van ultrakorte röntgenpulsen. Het is ook een grote uitdaging: deze extreem korte elektronenpakketjes zijn korter dan 60 micrometer en bewegen zich voort met een snelheid die dicht bij de lichtsnelheid ligt. Voor iemand die naast de versneller zou staan, duren deze pakketjes minder dan 200 femtoseconden (200 miljoenste van een miljardste seconde). 

Elektro-optisch effect
Wetenschappers van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein en de Universiteit van Dundee (Schotland) hebben een methode ontwikkeld om met ultrakorte laserpulsen de vorm en de lengte van een enkel elektronenpakketje te meten zonder het pakketje te vernietigen. Hierbij maken zij gebruik van het elektro-optisch effect. In een elektro-optisch kristal hangt de polarisatie van het licht dat door het kristal gaat af van het elektrisch veld waarin het kristal zich bevindt. Hoe sterker het elektrische veld, hoe groter de verandering van de polarisatie van het licht. De onderzoekers plaatsten in hun meetmethode het elektro-optisch kristal op een paar millimeter van de elektronenbundel. Door het kristal lopen, parallel aan de elektronenpakketjes, zeer korte laserpulsen. Van deze pulsen kunnen de wetenschappers de polarisatierichting per puls meten. De laserpulsen zijn afkomstig van een infrarood lasersysteem dat zich buiten de versnellertunnel bevindt. Het elektrisch veld van het voorbijrazende elektronenpakketje veroorzaakt in het kristal een verandering van de polarisatie van de laserpulsen, het elektro-optisch effect. De polarisatieverandering is evenredig met het elektrisch veld en dus evenredig met de dichtheid van de elektronen in het pakketje. De vorm (en de lengte!) van het elektronenpakketje wordt dus door middel van het elektro-optisch effect overgebracht in de laserpuls. Een meting van de polarisatie in deze laserpuls leidt dan direct tot de vorm en lengte van het elektronenpakketje. Deze elektro-optische detectiemethode voor elektronenpakketjes is ontwikkeld bij de infrarood vrije-elektronenlaser FELIX van het FOM-Instituut Rijnhuizen. Voor de ultieme test van de detectiemethode, het meten van echt korte elektronenpakketjes bij een grote versneller, verhuisden de wetenschappers in 2005 naar de Free electron LASer at Hamburg, kortweg FLASH^[i]. 

Succesvolle detectie
De eerste succesvolle detectie van elektronenpakketjes vond plaats in oktober 2005. Het resultaat: de kortste elektro-optisch gemeten elektronenpakketjes ter wereld. In 2006 is het detectiesysteem geïntegreerd in het besturings- en controlesysteem van FLASH. Het is nu mogelijk om terwijl FLASH licht genereert, de vorm en de lengte van elektronenpakketjes te meten. De meetmethode beïnvloedt de kwaliteit van de elektronenpakketjes en de gegenereerde extreem-ultraviolette pulsen niet. De succesvolle metingen bij FLASH zorgen ervoor dat men de elektro-optische meettechniek nu bij diverse versnellers in Europa, de VS en Japan, gaat gebruiken.

De resultaten brengen een goed-werkende XFEL weer een stap dichterbij. Met de laserpulsen van XFEL kunnen wetenschappers uiteindelijk voor het eerst fysische, chemische en biochemische processen met atomaire resolutie bestuderen op een tijdschaal van een femtoseconde (miljoenste van een miljardste seconde). Een enkele gefocusseerde laserpuls van XFEL is zo intens dat het te onderzoeken molecuul of materiaal kapot geschoten wordt. De pulsduur is hier echter zo kort dat wetenschappers een meting kunnen doen voordat het monster explodeert. Zo zouden wetenschappers dan bijvoorbeeld de ruimtelijke structuur van een enkel biomolecuul kunnen bepalen door met slechts een enkele XFEL-puls het röntgendiffractiepatroon van dit molecuul te meten. 

Referentie: Het artikel "Benchmarking of electro-optic monitors for femtosecond electron bunches" verschijnt op 26 oktober 2007 in druk in Physical Review Letters. De auteurs zijn van het FOM Instituut "Rijnhuizen" (Giel Berden en Lex van der Meer), de universiteit van Dundee en Daresbury Laboratory (beiden in Groot-Brittannië), en van het Deutsche Elektronen-Synchrotron, DESY, in Hamburg (Duitsland).

Meer infomatie bij:
Dr. Giel Berden, FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein, telefoon: (030) 609 68 95.

Voor meer informatie over de verschillende vrije-elektronenlasers zie:
FELIX: http://www.rijnhuizen.nl/felix
XFEL: http://www.xfel.net
FLASH: http://flash.desy.de 

^{_____________________
[i]} FLASH is 260 meter lang en genereert extreem- ultraviolette femtoseconde laserpulsen. De kortste golflengte die gemaakt is, bedraagt 13 nanometer. Sinds de upgrade in zomer 2007 kan men nog kortere golflengtes maken. Naast testmachine voor XFEL, is FLASH ook een internationale gebruikersfaciliteit.