Gennem mere end 100 år har man vidst, at det er muligt at bestemme et materiales atomare eller molekylære opbygning ud fra den spredning, som det udsætter røntgenstråling for.
Det har gjort røntgenstråling til et af forskernes bedste værktøjer til studier af nye materialer, lægemidler og kemiske processer, og et nyt imponerende forskningsanlæg lige syd for Danmark giver nu helt nye muligheder for at anvende det værktøj.
Røntgenstråling kan dannes, når elektroner afbøjes i et magnetfelt. Den teknik anvendes i store synkrotroner, som efterhånden findes i mange lande. Her holdes elektroner cirkulerende med høj energi i lagerringe med en omkreds på flere hundrede meter, som f.eks. i MAX IV i Lund i Skåne, der repræsenterer det nyeste skud på stammen.
Men der findes et alternativ til synkrotroner, der kaldes for fri-elektron lasere (FEL), som er flere kilometer lange lineære anlæg. De kan levere røntgenstråling, der er meget kraftigere og mere kortvarig end stråling i synkrotroner.
Det gør det eksempelvis muligt at optage molekylære film af kemiske reaktioner, ligesom man kan undgå at køle prøver, da den kortvarige puls ikke opvarmer og ødelægger materialet, som det kan ske med synkrotronstråling.
En XFEL – hvor X står for X-ray – er derfor til en del undersøgelser et bedre alternativ end synkrotronstråling eller neutronstråling, som om få år kan leveres fra European Spallation Source under opbygning i Lund.
Ingeniøren har tidligere beskrevet, at forskere på DTU har benyttet den amerikanske fri-elektron laser, Linac Coherent Light Source, til at lave optagelser af, hvordan elektroner springer mellem forskellige energiniveauer i et jernkompleks.
Det er viden, der blandt andet kan være nyttig til at forstå og forbedre virkemåden af solceller.
I fremtiden kan sådanne og lignende eksperimenter udføres i Hamborg med et anlæg, der på alle parametre overgår det amerikanske. Eksempelvis kan det amerikanske anlæg kun levere 100 pulser i sekundet til målestationen; European XFEL kan levere 27.000.
Som for alle store forskningsanlæg er der helt præcise procedurer for, hvordan forskningsprojekter får tildelt tid, men det skader næppe danske forskere, at Danmark har sat sig tungt på ledelsen.
Formanden for den øverste ledelse er professor Martin Meedom Nielsen fra DTU. En anden dansker, professor Robert Feidenhans’l, står i spidsen for den daglige ledelse.
Han var indtil slutningen af sidste år institutleder for Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, men den unikke mulighed for et internationalt topjob inden for et forskningsfelt, han har beskæftiget sig med siden sin uddannelse ved Aarhus Universitet i begyndelsen af 1980’erne, trak ham til Tyskland, forklarer han til Ingeniøren.
Selv om røntgenstråling fra en fri-elektron laser først vinder frem i disse år, har princippet mange år på bagen, og historien tager sin begyndelse under Anden Verdenskrig, hvor man udviklede mikrobølgerør og klystroner til at føde energi til radarsystemer med bølgelængde i centimeterområdet.
I 1951 foreslog Hans Motz ved Stanford University i Californien, at man kunne danne elektromagnetisk stråling med endnu kortere bølgelængder ved at lade energirige elektroner passere gennem en undulator, som er en periodisk struktur af magneter, der sender elektroner ud i en slalombevægelse.
Da elektronerne ikke er bundet i noget atom, er der tale om frie elektroner. To år senere genererede Motz på denne måde stråling med en bølgelængde på nogle få millimeter.
Inspireret af laserens fremkomst i 1960 beskrev John Madey, ligeledes fra Stanford University, i 1971, at man kunne opnå en forstærkning af strålingen fra en undulator på samme måde, som optisk stråling kan forstærkes med en laser, hvor strålingen kan stamme fra bundne elektroners spring mellem forskellige energiniveauer.
I 1977 fremstillede Madey den første fri-elektron laser, der leverede infrarød stråling ved 3,4 mikrometer. Efter samme princip som i en laser blev elektronerne reflekteret frem og tilbage mellem spejle, hvor hver passage forstærkede strålingen.
For røntgenstråling skal forstærkningen ske ved en enkelt passage gennem undulatoren, da der ikke findes spejle for røntgenstråling. Det stiller store krav til teknologien, som først blev indfriet i 2009 med Linac Coherent Light Source, som gjorde det muligt at generere intens røntgenstråling med en bølgelængde under en nanometer.
European XFEL i Hamburg repræsenterer næste generation ved at udnytte superledende komponenter.
European XFEL har kostet omkring 1,2 mia. euro (2015-priser). Tyskerne betaler selv 58 pct. af omkostningerne, Rusland er den anden store bidragyder med 27 pct., mens den sidste del dækkes af ni andre lande, heriblandt Danmark, der betaler ca. en procent – i runde tal omkring 100 mio. kr.
»European XFEL er som den nye Elbphilharmonie et af Hamborgs nyeste vartegn,« siger Robert Feidenhans’l og tilføjer:
»Ligesom byen Hamborg er blevet glad for og stolt af ‘Elbphi’, så er der også stor opbakning til European XFEL og forskning i det hele taget,« forklarer Robert Feidenhans’l – og langt mere, end der har været i Danmark i de seneste år, tilføjer han.
Selv om der var ‘hul igennem’ allerede i maj måned, hvor anlægget genererede sin første røntgenstråling med en bølgelængde på 0,8 nanometer, så er der stadig mange ting, der skal gøres færdige de næste uger, før brugerne kommer.
Foreløbig får anlægget to målestationer, som skal deles om røntgenstråling fra samme undulator.
»Anlægget kommer til at køre i døgndrift, så hver målestation får stråling i 12 timer om dagen,« siger Robert Feidenhans’l.
Antallet af målestationer øges de kommende år, og flere kan bruges på samme tid, da endnu en undulator bliver færdig i begyndelsen af 2018, og en tredje undulator følger kort tid efter. På lang sigt vil det være muligt at bore fem nye rør og dermed yderligere øge antallet af undulatorer og målestationer.
»Men her taler vi om en mulighed, som måske kan blive en realitet efter 2030,« siger Robert Feidenhans’l.
