Eine brillante Zukunft für DESY · 1936 P. Debye in Chemie für Beugung von Röntgenstrahlen und...

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Eine brillante Zukunft für DESY: Röntgenlaser in Hamburg

Dr. Rolf TreuschÖffentlicher AbendvortragDESY Zeuthen, 27.10.2010

Rolf Treusch | Öffentlicher Abendvortrag | 27. Oktober 2010 | Seite 2

DORIS III

FLASH

XFEL

PETRA 3

Willkommen bei DESY: Forschung mit Röntgenstrahlung

DESYs „Lichtmaschinen“ in Hamburg

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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


Nobelpreis 1901

Einführung in die Röntgenstrahlung

Wilhelm Conrad RöntgenAbsorptions-

kontrast

Kaiser Wilhelm II empfing W.C. Röntgen 3 Wochen

nach der Entdeckung

Entdeckung 1895

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Röntgenstrahlung: Sehen, was dem Auge verborgen ist

Abendgesellschaft


Röntgenstrahlung: Sehen, was dem Auge verborgen ist

Abendgesellschaft

im Durchblick

Röntgenstrahlen durch-dringen Materie

„Durchleuchten“

Anwendungen in Medizin und Ingenieurwissenschaften

Wellenlänge der Röntgen-strahlung passt zum Abstand

der Atome in Materie

„Position der Atome“

Anwendungen in Grundlagen-und anwendungsnaher

Forschung

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Typischer Tag in Stuttgart …


HandySAW Structures

Air BagAccelaration SensorsMEMS

KosmetikaTiO2 Nanoparticle

GMR-Lesekopf MagneticMultilayers

HerzschrittmacherLi-BatteriesNew Materials for Energy

FahrradrahmenCarbon FibresComposite Materials

DigitalkameraCCD Chip

Intelligente KreditkarteIntegrated Circuits

LED DisplayPhotonic Materials

GPS NavigationFunctional Materials

Gläser, BeschichtungenOptical MaterialsUV Filter

Künstliche LinseBiocompatiblePolymers

Künstliche HüfteBiocompatibleMaterials

Uhrzeit via SatellitSemiconductíng devicesMicro-Batteries

courtesy: Helmut Dosch

Funktionale Materialien bei der Arbeit …

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Röntgenröhren

Röntgenstrahlungsquellen in der Forschung

Synchrotronstrahlungs-quellen

Röntgen-FELs


Spektrum einerWolfram Röntgen-Röhre

Entdeckung am General Electric

70 MeV Synchrotron inSchenectady, NY (1947)

F. R. Elder, A. M. Gurewitsch, R. V. Langmuir, and H. C. Pollock,

Phys. Rev. 71, 829 (1947)

Synchrotronstrahlung

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klassisches„Röntgen“ Kristallstruktur-

bestimmung mitatomarer Auflösung+ Informationen über Dynamik aufFemtosekunden-Zeitskala

Von Röntgens Röhre zum Röntgenlaser

�� „Supermikroskop“ mitHochgeschwindigkeits-aufnahmetechnik


ca. 30 x mehr Transistoren pro CPU pro Dekade seit 1970

(http://www.intel.com/research/silicon/mooreslaw.ht m)

10.000 x mehr “Licht” pro Dekade seit 1965

Zum Vergleich

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Die „Farbe” des Lichts entspricht der Wellenlänge λλλλ :

Rot -- ca. 760 nm = 0.76/1000 mmGrün -- ca. 530 nm = 0.53/1000 mmBlau -- ca. 490 nm = 0.49/1000 mm

λλλλ

Wellenlängen und „Farben“

λλλλ[[[[nm ]]]] 1000 100 10 1 0.1 E

[[[[eV]]]]1 10 100 1000 10000

sichtbares Licht800 - 400 nm

IR UV VUV XUV Röntgen

Laser-Quellenheute FLASH Europäischer

XFEL


Spektrum des „Lichts“ (elektromagnetisches Spektrum)

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1 nm

13000 km 13 mm

1 m

Meter vs. Nanometer


L ightamplification bystimulatedemission of radiation :

Verstärkung über stimulierte (Licht-) Emission von an Atomegebundenen Elektronen (in Kristall, Flüssig-Farbstoff, Gas)

FEL: Verstärkungsmedium = „ freie “ (ungebundene) Elektronen ,die Atomen in einer Elektronen-Kanone „entrissen“ w urden, bis nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden und dann durch einen langen Undulator (= periodische magnetische Multipol-Struktur) laufen, wobei sie in tensiveLaserstrahlung produzieren.

FEL und „konventioneller“ Laser im Vergleich

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StrahlfängerSpiegel

Probe

Undulator

Linearbeschleuniger

Elektronenquelle

Schematischer Aufbau eines FEL


FEL-Animation

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von J.Rossbach

Gleichtakt bringt voran!


Messung sehr schneller Ereignisse

Ein Bild „verschwimmt“, wenn die Objekte sich schneller bewegen als die Verschlusszeit

Eadweard Muybridge, 1878

Kameras mit schnellerer Verschlusszeit

Blitz!

Courtesy: S. Düsterer

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Licht benötigt 1,3 sec von der Erde zum Mond

Wie kurz sind 100 Femtosekunden ?


100 fs (Femtosekunden)entsprechen einer Distanz von 30 µm bei Lichtgeschwindigkeit( ≃≃≃≃ 300.000 km/s), d.h. der Breite eines Haares !!

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FLASH bei DESY


Aufbau von FLASH:Blick in den Beschleunigertunnel

315 m

“Bunch-kompressor”

Bypass

UndulatorensFLASH

“Bunch-kompressor”

5 MeV 160 MeV 500 MeV 1200 MeV

BeschleunigermoduleDiagnostik

FEL Experimente

Elektronenkanone

Installation von Beschleunigermodulen

Undulator-AufbauBunchkompressor

sFLASH Undulatoren Experimentierhalle

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CsTe2 Photokathode

in 11/2 - zelligem Resonator

1-3% Quanten-Effizienz

Elektronen-Kanone


Beschleunigermodul mit

supraleitenden Niob-Resonatoren

25 MV/m Standard

Länge: 12 m

Gewicht: ca. 10 t

Beschleunigermodul

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Fixed gap Undulator, 30 m Gesamtlänge

mit Quadrupol-Dubletts für Fokussierung

des Elektronenstrahls in den Zwischenstücken

+ Elektronenstrahl-Diagnose

+ Korrektur-Magnete

Undulatoren


Optischer Laser

PG2

BL2

PG1

FIR -Beamline

BL3

BL1

FLASH Experimentierhalle

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Proteine: Struktur und FunktionGrundvoraussetzung für das Verständnis der Funktion : dreidimensionale atomare Struktur der Moleküle notw endig�� Kristallstrukturanalyse

Ribosom,1988

Röntgen-strahl

Protein-kristall

Detektor/Kamera


Proteine: Lysozym, Darstellungen der Struktur

Atome als kleine Kugeln

grau: Kohlenstoffblau: Stickstoffrot: Sauerstoffgelb: Schwefel

Atome in der richtigen Größe

schematische Darstellung

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Blauzungen-Virus

Nucleosom

30S Ribosom Untereinheit

~50 000 Atome

Struktur großer Bio-Moleküle

Insulin


Nobelpreis 2009 für Chemie

Ada YonathLeiterin der MPG-ArbeitsgruppeRibosomenstruktur bei DESY1986 – 2004

Nobelpreis für Chemie 2009zusammen mit T. Steitz und V. Ramakrishnan

http://www.weizmann.ac.il/sb/faculty_pages/Yonath/

Foto: Micheline Pelletier/Corbis

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Biomaschine „ bei der Arbeit“

Schlünzen, ..., Yonath, Cell, 102, 615 (2000)

mRNA = messenger RNA(„Boten-RNA“)

ist Bauplan, der in kleiner Untereinheit gelesen wird

Sequenzen der Aminosäurender mRNA werden durch tRNA (= translation-RNA, „Übersetzer“) ergänzt

�� neues Protein

DNA(=DNS, Gene) Transkription mRNA Translation Protein


Wirkung von Antibiotika auf das Ribosom

Schlünzen, ..., Yonath, ... Nature, 413, 814 (2001)

Ribosom D. radiodurans 50SErythromycin (rot)

Wirkung durch:

• Hervorrufen einer Falschkodierung

• Herabsetzen der Beweglichkeit

bestimmter Funktionen

• Blockieren der tRNA

• Blockade des Protein-

Ausgangstunnels

…

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16 Nobelpreise für Forschung mit Röntgenstrahlung

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 Substanze n

(Cholesterol, Vitamin B12, Penicillin, …)

1979 A. McLeod Cormack in Medizin für Computertomographie

& 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 von Röntgenstrukturen

1988 J. Deisenhofer, R. Huber in Chemie für Strukturaufklärung von Proteinen, die entscheidend für die

& H. Michel 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

… bisher!


berechnetes Streubild eines einzelnen Lysozym Moleküls

gemessenes Streubild eines mit Synchrotronstrahlung bestrahltenLysozym Einkristalls

J.Hajdu et al.

Können wir die Struktur einzelner Protein-Moleküle bestimmen?

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Herausforderung: Puls kurz genug und nicht zu intensiv, damit „Messung im Kasten“ bevor Molekül zerstört

Bsp. Lysozym:

weiß: Wasserstoff, grau: Kohlenstoff, blau: Stickstoff, rot: Sauerstoff, gelb: Schwefel

R. Neutze et al.Nature 406, 752 (2000)

Problem: Coulomb-Explosion


Was Coulomb-Abstoßung so vermag …

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Erste Demonstration kohärenter Röntgenbeugung bei FLASH H. Chapman, J. Hajdu et al.


2. Schuss mit voller Leistung

1. Schuss mit voller Leistung

1 micron

Rekonstruiertes Bild, beugungsbegrenzte Auflösung erreicht !

Wellenlänge = 32 nm

H.N.Chapman et al., Nature Physics 2, 839-843 (2006 )

1 micron

SEM der Ionenstrahlgeätzten Struktur in Siliziumnitrid-Membran

„Laserblitze im Nanokosmos“

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Gemessenes Mimivirus-Beugungsbild und 2D-Rekonstruktion

Graphic: wikipedia.org

H.Chapman et al.,Veröffentlichung inVorbereitung

Die Beugungsbilder und Daten zumMimivirus musste ich leider weglassen,da bisher noch unveröffentlicht.


Ziel: Zusammensetzen von statistisch orientierten 2D-Beugungsbildern zu 3D-Struktur

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Zeitabhängige Ausrichtung von CO 2

XUV first

1. Ausrichtung des Moleküls mit IR-Laser

2. FLASH-Puls zur Dissoziation und Ionisation

3. geschwindigkeits- und winkelaufgelöste Messung von O + -Fragmenten

VMIS-Bild(velocity map imaging spectrometer )

Pump-Probe -Experiment zur CO 2 Ausrichtung (M. Vrakkking, P. Johnsson et al.)

Molekül: Wikipedia

O

O

C


Rohdaten

TEO-sortierte Daten

P. Johnsson et al.,J. Phys. B 42,134017 (2009)

… in Reih und Glied zur Zerreißprobe!

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„Molekulare Gymnastik“

Foto aus:Josef Wachtveitl und Christoph Riehn, Forschung Frankfurt 3-4 , 27-31 (2003)


Ausblick:Das europäische Röntgenlaserprojekt European XFEL

• 3,4 km lange Anlage für naturwissenschaftliche Forschungin 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

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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


Wie sieht die European XFEL Anlage aus?

• Atome, Moleküle und Cluster, Plasma Physik

• Nicht-lineare Prozesse und Quanten-Optik

• Physik kondensierter Materie und Materialwissenscha ften

• Ultra-Kurzzeit Chemie und Lebenswissenschaften

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DESY-Bahrenfeld aus der Luft – September 2010

EuropeanXFEL


Schenefeld aus der Luft – September 2010

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Der künftige Forschungscampus - 2014/2015

Computersimulation

• ab 2014/2015: wissenschaftlicher Betrieb mit 300 – 350 Personen

• www.xfel.eu/de

� Baukalener

� WebCams

� Bildergalerie

� Hintergrundinformationen


•••• 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

1 Å

Rück- und Ausblick

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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.

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