Volltext - Universität Hamburg

2. Grundlagen von Freie Elektronen Lasern
Das Generieren initialer Lichtpulse mit noch kürzeren Wellenlängen hinreichender Intensität
ist mit HHG aufgrund der geringen Konversionseffizienzen (derzeit) nicht möglich. Für diesen
Wellenlängenbereich (λ Rad < 38 nm) wird der initiale Lichtpuls in einem vorangestellten SASE-
Undulator erzeugt und durch Filtern des Spektrums ein schmalbandiger Lichtpuls mit erhöhter
zeitlicher Kohärenz erzeugt. Die transversale Kohärenz ist nicht zwingend erforderlich, wegen
der Modenselektion der FEL-Verstärkung (siehe oben). In einem zweiten Undulator wird der
Lichtpuls bis zur Sättigung verstärkt. Diese „self-seeding“-Technik ermöglicht es, die zeitliche
Kohärenz des Röntgenlichtpulses im Vergleich zu SASE-Pulsen zu erhöhen (Feldhaus et al.,
1997). Durch den Einsatz von Monochromatoren wird die erhöhte zeitliche Kohärenz erreicht.
Aus der Verringerung der Bandbreite folgt bei gleicher Ausgangsleistung, Quellgröße und Divergenz
eine Steigerung der Spitzenbrillanz. Im Spektralbereich des vakuum-ultravioletten (VUV)
Lichts sind optische Gitter geeignete Filter. Für Photonen mit einer Wellenlänge < 5 Å (Freeland
et al., 2002) ist ein geeigneter Filter ein Bragg-Kristall, um den Strahlungspuls in seiner
Bandbreite einzuschränken (Saldin et al., 2001).
Eine magnetische Schikane führt das Elektronenpaket um die Filteranordnung auf der Undulatorachse.
Zum einen gleicht diese Schikane den Weglängenunterschied des Lichts (Monochromator
verlängert den optischen Weg) und der Elektronen aus. Zum anderen wird die Dichtemodulation,
die im ersten Undulator im Elektronenpaket entstanden ist, ausgewaschen, sodass im
zweiten Undulator eine neu erzeugte Dichtemodulation den Verstärkungsprozess dominiert, die
von den Eigenschaften des monochromatisierten Lichtpulses definiert wird (Feldhaus et al.,
1997). Die Längen der magnetischen Schikanen für ein „self-seeding“-Experiment am European
XFEL können zwischen 5 m und 60 m lang sein (Geloni et al., 2010a; Saldin et al., 2001).
Die Linac Coherent Light Source (LCLS) am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC)
in Stanford, USA hat ein „self-seeding“-Experiment erfolgreich bei λ Rad = 1.5 Å demonstriert
(Amann et al., 2012). Eine vergleichbare Technik ist ebenfalls am European XFEL geplant
(Geloni et al., 2010a).
2.5. Undulatorstrahlung
Geladene Teilchen, die sich mit relativistischer Geschwindigkeit bewegen, emittieren tangential
zu ihrer Bewegungsrichtung Synchrotronstrahlung, wenn sie transversal zu ihrer Bewegungsrichtung
abgelenkt werden (Jackson, 1966, S. 669 ff). Die abgestrahlte Leistung eines Teilchens
der Masse m 0 , das sich auf einem Kreisbogen mit Radius r DM bewegt, ist gegeben durch
P Syn = Z2 e 2 E B
4
ɛ 0 c 03 m 04 r DM
2 , (2.1)
wobei Ze die Ladung und E B die Energie des Teilchens, ɛ 0 die Dielektrizitätskonstante und
c 0 die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist. Aufgrund der starken Abhängigkeit bezüglich des
Verhältnisses zwischen Energie der Teilchen und ihrer Ruhemasse E B /m 0 werden für beschleunigerbasierte
Lichtquellen Elektronen oder Positronen genutzt. Die Strahlung, die in einem
Kegel mit einem Öffnungswinkel von θ ∢ ≈ 1/γ rel in Bewegungsrichtung des Teilchens emittiert
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