Det vil koste 7,6 mia. kr. at bygge XFEL, og designrapporten på 600 sider beskriver i detaljer, hvordan den 3,4 kilometer lange røntgenlaser skal konstrueres. En lineær superledende accelerator vil skyde bundter af elektroner gennem tre undulatorer – op til 200 m. lange magnetiske konfigurationer – som udsender ekstremt intense femtosekund røntgenpulser ud til forsøgsstationerne.

Den maksimale intensitet i glimtene bliver flere milliarder gange højere end på synkrotroner som ESRF – nutidens stærkeste røntgenkilder – mens den gennemsnitlige intensitet bliver 10.000 gange højere. Og vigtigst af alt: Røntgenpulserne vil ikke indeholde alle mulige faser som lyset fra en elektrisk pære, men være kohærent som i en laserstråle. Det vil ikke blot gøre det muligt at opklare atomare strukturer med traditionelle metoder som røntgenspredning, men også at optage rigtige billeder af arbejdende molekyler, f.eks. ved hjælp af røntgenholografi.

Bundterne af elektroner ­genereres ved, at en optisk ­laser river stimer af elektroner løs fra en fotokatode. Derpå accelereres bundterne ved hjælp af vekslende radiofrekvensfelter i en 120 meter lang accelerator, som sender dem ind i den 1,6 kilometer lange hovedaccelerator. Her øges elektronernes energi til maksimalt 20 GeV, og bundterne komprimeres undervejs.

Acceleratoren i XFEL bliver baseret på superledende teknologi, hvilket tillader acceleration af 30.000 elektronbundter i sekundet.

For enden af acceleratoren fortsætter elektronbundterne gennem to lange undulatorer. Elektroner udsender stråling, når deres bane krummes, og det er netop, hvad der sker i en undulator, hvor et magnetfelt tvinger elektronerne til at løbe slalom.

Revolutionen i fri-elektron røntgenlasere ligger i, at deres undulatorer udsender kohærent røntgenstråling, hvor lysbølgerne er i fase og svinger i takt som i en laserstråle. Og netop fordi femtosekundpulserne er så ultrakorte, bliver de også ekstremt intense.

Nøglen til kvalitetsspringet er Sase-princippet (Self Amplified Spontaneous Emis­sion). I begyndelsen af deres færd gennem undulatoren udsender elektronerne almindeligt røntgenlys under deres slalomløb, og røntgenfotonerne, der bevæger sig i en lige linje med lysets hastighed, overhaler elektronerne.

Fotonerne danner et elektromagnetisk felt, som pulserer ind og ud på tværs af slalombanen, og feltet begynder nu at vekselvirke med elektronerne. Elektroner, der er i fase med, og bevæger sig i samme retning i deres slingrekurs som det tværgående, pulserende felt, bliver decelereret af feltet, mens det passerer forbi. Omvendt accelereres elektroner, der er ude af fase med feltet.

Gradvist pakker denne mekanisme elektronerne sammen i mikrobundter, som alle bliver overhalet af fotonerne med præcis en bølgelængde for hver af deres svingture. Når det sker, begynder samtlige elektroner at udsende deres stråling synkront og producerer på den måde et ekstremt kortvarigt, kohærent og intenst røntgenglimt.

Jo mindre bølgelængden er, jo flere slalomsving skal der til for at få dannet mikrobundterne, og derfor er det nødvendigt med ekstremt lange undulatorer for at producere laserpulser med hård røntgen. I en 200 meter lang undulator passerer elektronerne gennem omkring 4.000 svingninger.

Efter turen gennem de to første undulatorer dirigeres elektronerne enten videre til en tredie Sase-undulator eller hen til to almindelige undulatorer, som ikke frembringer laserpulser, men som til gengæld leverer ekstremt hård røntgenstråling med bølgelængder helt ned til 0,009 ­nanometer. Til sidst dumpes elektronstrålen i en stor ­ grafikblok omgivet af kobber, hvor energien omsættes til varme. [rhn]