Eine brillante Zukunft für DESY

Eine brillante Zukunft für DESY:
Röntgenlaser in Hamburg
Dr. Rolf Treusch
Öffentlicher Abendvortrag
DESY Zeuthen, 27.10.2010
Willkommen bei DESY:
Forschung mit Röntgenstrahlung
DESYs „Lichtmaschinen“ in Hamburg
XFEL
DORIS III
FLASH
PETRA 3
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 2
1
Was Sie erwartet:
• Einführung in die Röntgenstrahlung
Von Röntgens Röhre zum Röntgenlaser
• Der Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY
Aufbau und „virtuelle“ Tour
• Proteine: Struktur und Funktion
„Biomaschinen bei der Arbeit zusehen“
• Erste Ergebnisse von FLASH
Laserblitze im Nanokosmos
• Rück- und Ausblick
Vom VUV-FEL bis zum European XFEL
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 3
Einführung in die Röntgenstrahlung
Entdeckung 1895
Nobelpreis 1901
Kaiser Wilhelm II empfing
W.C. Röntgen 3 Wochen
nach der Entdeckung
Wilhelm Conrad Röntgen
Absorptionskontrast
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 4
2
Röntgenstrahlung:
Sehen, was dem Auge verborgen ist
Abendgesellschaft
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 5
Röntgenstrahlung:
Sehen, was dem Auge verborgen ist
Abendgesellschaft
Röntgenstrahlen durchdringen Materie
„Durchleuchten“
Anwendungen in Medizin und
Ingenieurwissenschaften
Wellenlänge der Röntgenstrahlung passt zum Abstand
der Atome in Materie
„Position der Atome“
im Durchblick
Anwendungen in Grundlagenund anwendungsnaher
Forschung
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 6
3
Typischer Tag in Stuttgart …
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 7
Herzschrittmacher
GPS Navigation
Air Bag
Kosmetika
Functional Materials
Accelaration Sensors
MEMS
TiO2 Nanoparticle
Li-Batteries
New Materials for Energy
Handy
SAW Structures
Künstliche Hüfte
Gläser, Beschichtungen
Biocompatible
Materials
Optical Materials
UV Filter
Digitalkamera
CCD Chip
Künstliche Linse
Biocompatible
Polymers
Uhrzeit via Satellit
Semiconductíng devices
Intelligente Kreditkarte Micro-Batteries
Fahrradrahmen
Carbon Fibres
Composite Materials
courtesy: Helmut Dosch
Integrated Circuits
GMR-Lesekopf
LED Display
Magnetic
Multilayers
Photonic Materials
Funktionale Materialien
bei der Arbeit…
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 8
4
Röntgenstrahlungsquellen in der Forschung
RöntgenFELs
Synchrotronstrahlungsquellen
Röntgenröhren
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 9
Synchrotronstrahlung
Entdeckung am
General Electric
70 MeV Synchrotron in
Schenectady, NY (1947)
F. R. Elder, A. M. Gurewitsch,
R. V. Langmuir, and H. C. Pollock,
Phys. Rev. 71, 829 (1947)
Spektrum einer
Wolfram Röntgen-Röhre
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 10
5
Von Röntgens Röhre zum Röntgenlaser
klassisches
„Röntgen“
Kristallstrukturbestimmung mit
atomarer Auflösung
+
Informationen
über Dynamik auf
FemtosekundenZeitskala
„Supermikroskop“ mit
Hochgeschwindigkeitsaufnahmetechnik
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 11
Zum Vergleich
(http://www.intel.com/research/silicon/mooreslaw.htm)
10.000 x mehr “Licht”
pro Dekade seit 1965
ca. 30 x mehr Transistoren pro
CPU pro Dekade seit 1970
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 12
6
Wellenlängen und „Farben“
Die „Farbe” des Lichts entspricht der
Wellenlänge λ :
λ
Rot -- ca. 760 nm = 0.76/1000 mm
Grün -- ca. 530 nm = 0.53/1000 mm
Blau -- ca. 490 nm = 0.49/1000 mm
si chtbare s Licht
800 - 400 nm
λ
[ nm]]
IR
1000
1
UV
100
10
Laser-Quellen
heute
VUV
Röntgen
XUV
10
100
FLASH
1
1000
0.1
E
10000 [eV]]
Europäischer
XFEL
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 13
Spektrum des „Lichts“ (elektromagnetisches Spektrum)
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 14
7
Meter vs. Nanometer
13000 km
13 mm
1m
1 nm
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 15
FEL und „konventioneller“ Laser im Vergleich
Light
amplification by
stimulated
emission of
radiation:
Verstärkung über stimulierte (Licht-)Emission von an Atome
gebundenen Elektronen (in Kristall, Flüssig-Farbstoff, Gas)
FEL:
Verstärkungsmedium = „freie“ (ungebundene) Elektronen,
die Atomen in einer Elektronen-Kanone „entrissen“ wurden,
bis nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden
und dann durch einen langen Undulator (= periodische
magnetische Multipol-Struktur) laufen, wobei sie intensive
Laserstrahlung produzieren.
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 16
8
Schematischer Aufbau eines FEL
Elektronenquelle
Linearbeschleuniger
Undulator
Probe
Spiegel
Strahlfänger
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 17
FEL-Animation
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 18
9
Gleichtakt bringt voran!
von J.Rossbach
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 19
Messung sehr schneller Ereignisse
Ein Bild „verschwimmt“, wenn die Objekte sich
schneller bewegen als die Verschlusszeit
Kameras mit schnellerer Verschlusszeit
Eadweard Muybridge, 1878
Blitz!
Courtesy: S. Düsterer
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 20
10
Wie kurz sind 100 Femtosekunden ?
Licht benötigt 1,3 sec von der Erde zum Mond
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 21
100 fs (Femtosekunden)
entsprechen einer Distanz von
30 µm bei Lichtgeschwindigkeit
( ≃ 300.000 km/s), d.h. der Breite
eines Haares !!
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 22
11
FLASH bei DESY
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 23
Aufbau von FLASH:
Blick in den Beschleunigertunnel
Installation von
Beschleunigermodulen
Diagnostik Beschleunigermodule
“Bunchkompressor”
5 MeV 160 MeV
“Bunchkompressor”
500 MeV
sFLASH Undulatoren
sFLASH
1200 MeV
Experimentierhalle
Undulatoren
Bypass
FEL
Experimente
315 m
Elektronenkanone
Bunchkompressor
Undulator-Aufbau
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 24
12
Elektronen-Kanone
CsTe2
Photokathode
in 11/2 - zelligem Resonator
1-3% Quanten-Effizienz
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 25
Beschleunigermodul
Beschleunigermodul mit
supraleitenden Niob-Resonatoren
25 MV/m Standard
Länge: 12 m
Gewicht: ca. 10 t
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 26
13
Undulatoren
Fixed gap Undulator, 30 m Gesamtlänge
mit Quadrupol-Dubletts für Fokussierung
des Elektronenstrahls in den Zwischenstücken
+ Elektronenstrahl-Diagnose
+ Korrektur-Magnete
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 27
FLASH Experimentierhalle
PG2
PG1
BL1
BL3
BL2
Optischer
Laser
FIR -Beamline
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 28
14
Proteine: Struktur und Funktion
Grundvoraussetzung für das Verständnis der Funktion:
dreidimensionale atomare Struktur der Moleküle notwendig
Kristallstrukturanalyse
Röntgenstrahl
Proteinkristall
Detektor/
Kamera
Ribosom,1988
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 29
Proteine: Lysozym, Darstellungen der Struktur
Atome als kleine Kugeln
Atome in der
richtigen Größe
schematische Darstellung
grau: Kohlenstoff
blau: Stickstoff
rot: Sauerstoff
gelb: Schwefel
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 30
15
Struktur großer Bio-Moleküle
~50 000 Atome
Insulin
Blauzungen-Virus
30S Ribosom Untereinheit
Nucleosom
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 31
Nobelpreis 2009 für Chemie
Ada Yonath
Leiterin der MPG-Arbeitsgruppe
Ribosomenstruktur bei DESY
1986 – 2004
Foto: Micheline
Pelletier/Corbis
Nobelpreis für Chemie 2009
zusammen mit
T. Steitz und
V. Ramakrishnan
http://www.weizmann.ac.il/sb/faculty_pages/Yonath/
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 32
16
Biomaschine „ bei der Arbeit“
DNA(=DNS, Gene)
Transkription
mRNA
Translation
Protein
mRNA = messenger RNA
(„Boten-RNA“)
ist Bauplan, der in kleiner
Untereinheit gelesen wird
Sequenzen der Aminosäuren
der mRNA werden durch
tRNA (= translation-RNA,
„Übersetzer“) ergänzt
neues Protein
Schlünzen, ..., Yonath, Cell, 102, 615 (2000)
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 33
Wirkung von Antibiotika auf das Ribosom
Ribosom D. radiodurans 50S
Erythromycin (rot)
Wirkung durch:
• Hervorrufen einer Falschkodierung
• Herabsetzen der Beweglichkeit
bestimmter Funktionen
• Blockieren der tRNA
• Blockade des ProteinAusgangstunnels
…
Schlünzen, ..., Yonath, ... Nature, 413, 814 (2001)
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 34
17
16 Nobelpreise für Forschung mit Röntgenstrahlung
… bisher!
1901 W.C. Röntgen
in Physik für die Entdeckung der X-(Röntgen)strahlen
1914 M. von Laue
in Physik für Grundlagen der Röntgenbeugung an Kristallen
1915 W.H. Bragg & W.L. Bragg
in Physik für Bestimmung der Kristallstruktur mit Röntgenbeugung
1917 C.G. Barkla
in Physik für charakteristische Strahlung der Elemente
1924 K.M.G. Siegbahn
in Physik für Röntgenspektroskopie
1927 A.H. Compton
in Physik für Streuung von Röntgenstrahlen durch Elektronen
1936 P. Debye
in Chemie für Beugung von Röntgenstrahlen und Elektronen in Gasen
1962 M. Perutz & J. Kendrew
in Chemie für die Strukturaufklärung des Hämoglobins
1962 J. Watson, M. Wilkins
in Medizin für die Struktur der DNS
& F. Crick
1964 D. Crowfoot Hodgkin
in Chemie für die Strukturaufklärung wichtiger biochemischer Substanzen
1979 A. McLeod Cormack
in Medizin für Computertomographie
(Cholesterol, Vitamin B12, Penicillin, …)
& G.N. Hounsfield
1981 K.M. Siegbahn
in Physik für hochaufgelöste Elektronenspektroskopie
1985 H.A. Hauptman
in Chemie für die Entwicklung direkter Methoden zur Bestimmung
& J. Karle
1988 J. Deisenhofer, R. Huber
& H. Michel
von Röntgenstrukturen
in Chemie für Strukturaufklärung von Proteinen, die entscheidend für die
Photosynthese sind
2006 R.D. Kornberg
in Chemie für die Beschreibung des Enzyms RNS-Polymerase
2009 A.Yonath, T.Steitz
in Chemie für die Aufklärung v. Struktur & Funktion d. Ribosoms
& V. Ramakrishnan
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 35
Können wir die Struktur einzelner
Protein-Moleküle bestimmen?
berechnetes Streubild eines
einzelnen Lysozym Moleküls
gemessenes Streubild eines mit
Synchrotronstrahlung bestrahlten
Lysozym Einkristalls
J.Hajdu et al.
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 36
18
Problem: Coulomb-Explosion
Bsp. Lysozym:
weiß: Wasserstoff,
grau: Kohlenstoff,
blau: Stickstoff,
rot: Sauerstoff,
gelb: Schwefel
R. Neutze et al.
Nature 406, 752 (2000)
Herausforderung: Puls kurz genug und nicht zu intensiv,
damit „Messung im Kasten“ bevor Molekül zerstört
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 37
Was Coulomb-Abstoßung so vermag …
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 38
19
Erste Demonstration kohärenter Röntgenbeugung
bei FLASH
H. Chapman, J. Hajdu et al.
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 39
„Laserblitze im Nanokosmos“
1 micron
SEM der Ionenstrahlgeätzten
Struktur in Siliziumnitrid-Membran
2. Schuss mit voller Leistung
Rekonstruiertes Bild,
beugungsbegrenzte Auflösung erreicht !
Wellenlänge = 32 nm
1. Schuss mit voller Leistung
1 micron
H.N.Chapman et al., Nature Physics 2, 839-843 (2006)
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 40
20
Gemessenes Mimivirus-Beugungsbild
und 2D-Rekonstruktion
Graphic: wikipedia.org
H.Chapman et al.,
Veröffentlichung in
Vorbereitung
Die Beugungsbilder und Daten zum
Mimivirus musste ich leider weglassen,
da bisher noch unveröffentlicht.
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 41
Ziel: Zusammensetzen von statistisch orientierten
2D-Beugungsbildern zu 3D-Struktur
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 42
21
Pump-Probe-Experiment zur CO2 Ausrichtung
(M. Vrakkking, P. Johnsson et al.)
Zeitabhängige Ausrichtung
von CO2
O
C
O
XUV first
Molekül: Wikipedia
1. Ausrichtung des Moleküls mit IR-Laser
2. FLASH-Puls zur Dissoziation und Ionisation
3. geschwindigkeits- und winkelaufgelöste
VMIS-Bild
(velocity map
imaging spectrometer)
Messung von O+ -Fragmenten
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 43
… in Reih und Glied zur Zerreißprobe!
Rohdaten
TEO-sortierte Daten
P. Johnsson et al.,
J. Phys. B 42,
134017 (2009)
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 44
22
„Molekulare Gymnastik“
Foto aus:
Josef Wachtveitl und Christoph Riehn,
Forschung Frankfurt 3-4 , 27-31 (2003)
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 45
Ausblick:
Das europäische Röntgenlaserprojekt European XFEL
• 3,4 km lange Anlage für naturwissenschaftliche Forschung
in der Metropolregion Hamburg
• Finanzierung (ca. 1 Milliarde Euro, Preisniveau 2005):
Deutschland (Bund + Länder Hamburg und Schleswig-Holstein)
11 internationale Partnerländer
• Forschungszentrum DESY:
Vorbereitung, unterirdische Bauwerke, Beschleuniger
(vertritt künftiges Forschungszentrum – die European XFEL GmbH)
• Offizieller Startschuss: 7. Juni 2007
• 8. Januar 2009 bis November 2013 Bauarbeiten
(Unterirdische und Oberflächengebäude und Tunnel)
• ab 2015: Röntgen-FEL-Licht und Nutzung durch Forschergruppen
aus aller Welt
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 46
23
Die 3,4 km lange Röntgenlaser-Anlage im Überblick
Schenefeld:
Forschung mit Röntgenlaserblitzen
DESY-Bahrenfeld:
Start der 3,4 km langen Anlage
Osdorfer Born:
erste Tunnelverzweigung
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 47
Wie sieht die European XFEL Anlage aus?
• Atome, Moleküle und Cluster, Plasma Physik
• Nicht-lineare Prozesse und Quanten-Optik
• Physik kondensierter Materie und Materialwissenschaften
• Ultra-Kurzzeit Chemie und Lebenswissenschaften
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 48
24
DESY-Bahrenfeld aus der Luft – September 2010
European
XFEL
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 49
Schenefeld aus der Luft – September 2010
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 50
25
Der künftige Forschungscampus - 2014/2015
ab 2014/2015:
wissenschaftlicher Betrieb
mit 300 – 350 Personen
•
• www.xfel.eu/de
Baukalener
WebCams
Bildergalerie
Hintergrundinformationen
Computersimulation
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 51
Rück- und Ausblick
• FEL an TTF Phase 1 (1999 - 2002)
VUV: 180 - 80 nm
„Machbarkeits-Beweis”
Sättigung und erste Experimente
• FLASH, Phase 2 (ab 2005)
weiche Röntgenstrahlung: 60 – 6.5 (4.5) nm
Nutzeranlage
• Europäischer Röntgenlaser XFEL: 2,5 nm – 0,1 nm
Genehmigt, Europaweite Finanzierung, GmbH,
Bauarbeiten haben begonnen,
Inbetriebnahme 2014
100 nm
10 nm
1 nm
1Å
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 52
26
The end.
Danke an alle KollegInnen, die FLASH und den XFEL überhaupt möglich
mach(t)en und die vorne erwähnten Kollegen für manche der schönen
Bilder und Animationen.
Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 53
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