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Automobil Forum Berlin13. Januar 2002
jochen.schneider@desy.de
TESLA – Licht der Zukunft
Forschung mit dem Freie-Elektronen Laser
„Mit dem Röntgen-FEL werden einige der einzigartigen Eigenschaften kohärenten Lichtes in den 0.1 nm Wellen-längenbereich transferiert bei gleichzeitigem Erhalt der für heutige Synchrotronstrahlungsquellen charakteristischen Durchstimmbarkeit und mittleren Leuchtstärke.“
Meinungen aus der Laser Community
„Es gibt wohl kaum ein anderes Wissenschaftsfeld wo der Bau einer einzigen Anlage solch enormen Fortschritt, nicht nur in einem, sondern in der Kombination mehrerer kritischer Parameter bringt.“
Röntgenstrahlung (1895)
Automobil Forum Berlin13. Januar 2002
jochen.schneider@desy.de
Absorptionskontrast Mikrotomograhie
3 dim. Verteilung von Calziumim im Knochen einer 65 jährigen Patienten,
die an Osteoporose leidete
Automobil Forum Berlin13. Januar 2002
Automobil Forum Berlin13. Januar 2002
jochen.schneider@desy.deAbbildung in Phasenkontrast
Absorptions- vs.Phasenkontrast
Seegras im Absorptionskontrast
Abbildung über Phasenkontrast
Foraminifera MuschelA. Snigirev et al.
25 keV
18 keV
Dynamik ?
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Synchrotron-Strahlung in der Strukturbiologie
Automobil Forum Berlin13. Januar 2002
Muskeln bewegen alles,aber wie bewegt sich ein Muskel?
es begann bei DESY:
G. Rosenbaum, K.C. Holmes & J. WitzNature 230 (1971) 434-437
Zeit aufgelöste Klein-Winkel-Streuung
Atomare Auflösung: Laue Diagramme
Automobil Forum Berlin13. Januar 2002
Erste Laue-Aufnahmen von W. Friedrich, P. Knipping und M. von Lauean Mineral-Einkristallen im Frühjahr 1912
Laue-Aufnahme an Kohlen-Monoxyd-Myoglobin in 150 psec(M. Wulff et al., ESRF-Grenoble)
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Beugungsbild von einem Virus Einkristall
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D. Stuart et al.
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Beispiel: 20S Proteasom von HefeStrukturmodell mit 2,4 Å Auflösung
~ 50 000 Protein Atome
~1,2 Mio Bragg Reflexe,~400 000 in Verfeinerung
M. Groll, L. Ditzel, J. Löwe, D. Stock, M. Bochtler, H.D. Bartunik & R. HuberNature 386 (1997) 463
HASYLAB-data, beamline BW6
Röntgenquelleder zweitenGeneration
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Protasom
X-rays
Struktur eines Virus
core particle of theblue-tongue virus
David Stuart et al., ESRF data
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Röntgenquelleder drittenGeneration
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blue-tonguevirus
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antibiotic actionon ribosomes
F. Schlünzen, R. Zarivach, J. Harms, A. Bashan, A. Tocilj, R. Albrecht,A. Yonath
Nature 413 (2001) 814-821Herausforderung:Kristallzucht
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Röntgen-Strukturanalyse: Zukunftsperspektive
Automobil Forum Berlin13. Januar 2002
Graham Fleming (Berkely) 1999:
Was wir eigentlich tun möchten:
Bestimmung der Struktur von nicht-kristallinen Proben
auf der chemischen Zeitskala,d.h. im Bereich von Femto- und PikoSekunden
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Abbildung eines einzelnen Bio-Moleküls
einzelnes Molekül Kristall
mit atomarer Auflösung Lysozym
Oversampling: J. Miao, K.O. Hodgson and D. Sayre, PANS 98 (2001) 6641-6645
Coulomb Explosion
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optischer Laser Puls
Zukunft:
Röntgen-BlitzeextremerIntensität
der explodierende Wassertropfen
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X-rays
Coulomb Explosion von Lyzosym
X-rays
� Firmenam e (Referentennam e)28
Coulomb explosion of lysozyme (50 fs)Coulomb explosion of Lysozyme LCLS
Radiation damageinterferes with atomicscattering factors and
atomic positions
50 fs3x1012 photons/100 nm spot12 keV
R. Neutze, R. Wouts, D. van der Spoerl, E. Weckert, J. Hajdu: Nature 406 (2000) 752-757
t=0
t=50 fsec
t=100 fsec
Modellrechnungen
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Abbildung von einzelnen Bio-Molekülen
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der TESLA Röntgen FEL macht es möglich
Anwendungsbeispiel mitHerausforderungen besonderer Art
Der VUV FEL an der TESLA Test Facility erlaubt bereits heuteUntersuchungen zur Coulomb Explosion an Modell Systemen
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Vortrag:Josef Feldhaus
Entwicklung der Leuchtstärke von Röntgenquellen
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Neue Quellen eröffnen neue Mess-möglichkeiten, ohne dass die etablierten Anwendungen an Wert verlieren
Alle 10 Jahre erhöhte sich die Leuchtstärke um den Faktor 1000
DORIS III
Röntgen Laser
ESRF
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Speicherring Strahlungsquellen
Das europäische Flaggschiff
European Synchrotron Radiation Facility ESRFin Grenoble, Frankreich
Pionierexperimente:
KohärenzZeitauflösungMikrotomographie.....
StrukturbiologieMagnetismusFestkörperanregungenGrenzflächenphysik.....
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Beugung unter extremen Drucken
Je kleiner die Probe, desto größer ist der erreichbare Druck
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Freie-Elektronen Röntgen Laser
Vergleich mit SR Strahlungsquellen der 3. Genaration:• Dramatisch höhere Spitzenleuchtstärke (x 109)
- transversal kohärente Strahlung- große Zahl von Photonen/Mode (109)
- sehr viel kürzere Pulslänge (100-300 fs)
• Höhere mittlere Leuchtstärke (x 105)
• Höheren mittleren Photonenfluß (x 102)
• Wilde Träume• Extrapolation von bestehender Erfahrung
- SR Quellen der 3. Generation- “table-top” Laser
wissenschaftlichesPotential:
Spektralverteilung der spontanen Strahlung eines TESLA X-FEL Undulatorsin einer Entfernung von 400 m von der Quelle
L = 87 m, �u = 50 mm, k = 4.1, 25 GeV, 60 �A
100 fsecPuls-länge
Spontaneous radiationX-rays
1 mm2 Blende aufzentraler Achse
Spontaneous radiationAutomobil Forum Berlin13. Januar 2002
SASE FEL im VUV
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19952001
Spektroskopie im weitesten Sinne
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Conceptual Design of a
500 GeVe+e- Linear Collider
with
IntegratedX-ray Laser Facility
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TESLAConceptual Design
1997
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SASE FEL im harten Röntgengebiet
1998 2000
Stanford, USA
Strukturforschung im weitesten Sinne
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X-rays
Part1: Executive Summary2: The Accelerator3: Physics at an e+e- Linear Collider4: A Detector for TESLA5: The X-Ray Free Electron Laser6: Appendices
TESLA Colloquium
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2001
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Freie-Elektronen Laser liefern kohärente Röntgenstrahlung der richtigen Wellenlänge und Zeitstruktur, so daß Stoffe und die Veränderungen ihrer Eigenschaften mit atomarer Auflösung in 4 Dimensionen, d.h. in Raum und Zeit, verfolgt werden können.
Beugungsbild eines 10 x 10 x 10 Au Clusters
Wissenschaft mit demSASE X-FEL
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Chemische Reaktionen „filmen"
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Schematische Darstellung von Übergangs-Zuständen in einer chemischen Reaktion
Nicht-Gleichgewichts-
Zustände
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X-rays
Röntgen FELs sind eine Herausforderung für Maschinenphysiker wie Nutzer:Schrittweise Realisierung
Fahrplan für SASE Freie-Elektronen Laser:
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FahrplanSASE FEL
• 2000 - 2001 80 - 120 nm TESLA Test Facility at DESY530, 350nm LEUTL at APS in Argonne
• 2003 - 2005 24 ... 6 nm VUV-FEL facility at DESY
• 2004 15 nm SCSS SPring-8
• 2005 3.6 nm SCSS SPring-8
• 2007/8 0.15 nm LCLS at Stanford
• 2008 100 ... 1 nm BESSY FEL in Berlin
• 2011 0.1 nm X-ray FEL laboratory at TESLA
UK:4GLS-CASIM
Italy:INFN-ENEA-CNR-Roma II
Elettra-INFM
X-rays
DESY TTFachived at
~98 nm
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Freie-Elektronen SASE Laser in Japan
SPring-8 Compact SASE Sourcejochen.schneider@desy.de
Spektralverteilung des TESLA X-FEL Labors
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energy [eV ]101001.00010.000100.000
0.01 0.1 1 10 100w avelength [nm ]
TTF VU V -FE L
TE S LA X FE Lphase I
phase II
S AS E undula torundula tor for spont. rad ia tion
jochen.schneider@desy.de
Realisierung von TESLA X-FEL in zwei Schritten
Realisierung des X-FEL in zwei Schritten
Kosten der ersten Phase des Projektes die im TDR genannten 530 MEuro
Phase 1: E(Beschleuniger) = 20 GeV 3 FEL Strahlen + 2 Undulatoren für spontane Strahlung (100fs) 10 unabhängige Experimentierplätze
Phase 2: E(Beschleuniger) > 20 GeV 5 FEL Strahlen + 5 Undulatoren für spontane Strahlung (100fs) 20 unabhängige Experimentierplätze
Annahme: Beschaffung und Produktion der Komponenten für die LInacfür X-FEL und Linear Collider zeitlich parallel
• More than 40 institutes in 9 countries
• Major hardware contributions fromFrance, Italy, USA, and DESY
TESLA collaboration
Bottom-up collaborationinitiated by the particle physics community
The TESLA Collaboration:
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jochen.schneider@desy.de
„Durch die Verbindung von Kohärenz und Femtosekunden Pulslänge mit kurzer Wellenlänge wird der X-FEL auch eine neue Plattform für interdisziplinäre Wechselwirkung und Synergien zwischen Forschern schaffen, die in der Vergangenheit getrennte Wege gegangen sind.“
Synergien
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Synergien
HigherHarmonicsGeneration
Automobil Forum Berlin13. Januar 2002
TESLA – Licht der Zukunft
• Woher kommt die Masse?• Ein Weg zur Weltformel?
Forschung mit dem Freie-Elektronen Laser
• Wie schmilzt, wie kondensiert Materie?• Was treiben die Elektronen im Supraleiter?• Was tun die Moleküle in einer Zelle?
jochen.schneider@desy.de
jochen.schneider@desy.de
T
Automobil Forum Berlin13. Januar 2002
jochen.schneider@desy.de
T
Automobil Forum Berlin13. Januar 2002
jochen.schneider@desy.de
T
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X-FEL potential for inelastic scattering
Characterisation of
different spectroscopies
for the study of
excitations in
condensed matter in
frequency - wave vector
space
GSI Colloquium8 January 2002
Der Röntgenlaser: Photonen im Röntgen-Blitz
10 13 kohärentePhotonen
SpeicheringUndulator
FEL
in den 100 Femtosekunden dauernden Pulsen gibt es 10 000 mal mehr Photonen
Faktor 10 000
statt bisher 50 Picosekundendauern die Pulse nur noch 100
Femtosekunden
Faktor 1/1000
Spitzenleuchtstärke des Röntgenlasers
Der Röntgenlaser bei DESY ist
etwas qualitativ Neues
Die Spitzenleuchtstärke ist um10 Größenordnungen höherals bei modernenSynchrotronstrahlunsquellen
Synergien mit der Entwicklungder Laser im Optischen Spektralbereich
Jahre
Herausforderung: Struktur des Ribosoms
FlaschenhalsKristallisation
Proteinsynthese - „Eiweissfabrik“
ECM 20 Kraków 2001Observation of five-fold local symmetry in liquid leadNature, Vol. 408 (2000) 839
H. Reichert, O. Klein, H. Dosch, M. Denk (MPI Stuttgart)V. Honkimäki (ESRF)T. Lippmann (HASYLAB)G. Reiter (Houston)
First experimental evidence for poly-hedral local order in a simple liquid showing that liquids and solids are two structurally incompatible forms of condensed matter.
The experiment provides insight into the phenomena of supercooling of melts on a microscopic scale and thus an essential element for our understanding of the stability of condensed matter.
ECM 20 Kraków 2001
An extremely flat beam of 70 keV synchrotron radiation penetrates a Si wafer and undergoes total-reflection at liquid lead.
Bragg scattering from a reflection with momentum transfer in a plane parallel to the interface is analysed
When rotating the sample around an axis perpendicu-lar to the interface an intensity modulation with 5-fold symmetry is observed
Struktur in der Nähe der Fest-Flüssig-GrenzflächeSystem: Si(001)-Pb(flüssig)
Energie: 80 keV
H. Reichert et al., Nature, 408, 839 (2000)
X-rays
Experiments at the X-ray free-electron laser
X-rays
Present day X-ray and neutron experiments probe in most cases equilibrium states of matter.
The X-rays from the free-electron laser probe the dynamic state of matter with atomic resolution and will mainly be used to study non-equilibrium states, and very fast transitions between the different states of matter.
For atomic scale, femtosecond studies of electronic and geometrical properties of matter in the bulk of the sample the X-FEL is unique.
ESRF-ILL Seminar5 February 2002
X-rays
Potential of X-FEL
„The X-FEL is a serious attempt to transfer some of the unique properties of coherent light into the 0.1 nm wavelength range, while at the same time maintaining the level of tunability and average power of today‘s synchrotron radiation sources.“
ESRF-ILL Seminar5 February 2002
„It is hard to think of other scientific fields where the construction of a single device would allow for such progress not just in one, but in a combination of several crucial parameters.“
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