Helmholtz Zentrum Berlin

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hzbEMIL • Watching the Secret Lives of Atoms

The Mirror Zoo

authored 4 years ago:

Präzisionsgitter. Hausgemacht.

Marcus Lörgen leitet die Abteilung Präzisionsgitter am HZB, in der auch die Gitter für EMIL hergestellt werden.

Wozu braucht man diese Gitter?

Für ihre Experimente wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am liebsten immer einen Lichtstrahl mit genau einer Wellenlänge haben. Das geht natürlich nicht, sondern man hat immer ein Bündel. Aber dann möchte man wenigstens ein besonders kleines Bündel haben. Und dazu braucht man die Gitter. An ihnen wird das Synchrotronlicht gebeugt, also in seine spektralen Komponenten zerlegt. Diese aufgefächerten Lichtstrahlen werden dann für die Analyse der neuen Materialien bei EMIL und in anderen Experimenten genutzt.

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Was genau heißt denn „Gitter“? Kann man sich das vorstellen wir einen Gitterrost oder Gitterstäbe im Gefängnis?

Wenn wir „Gitter“ sagen, meinen wir optische Gitter, die aus sehr feinen parallelen Strukturen bestehen, „Rillen“ oder „Furchen“ könnte man sagen, die in ein Trägermaterial – bei uns meistens Silizium – eingeritzt sind. Das erinnert vielleicht ein bisschen an Gitterstäbe.

Im Synchrotron benutzen wir meistens Gitter mit einer Sägezahnstruktur. Die bringen eine höhere Intensität als Gitter mit senkrechten Kanten und das ist für unsere Arbeit sehr wichtig.

Sind die einfach herzustellen?

Nein, überhaupt nicht. Das ist eine ziemliche Prozedur. Wenn wir die unstrukturierten Trägermaterialien – die sogenannten Rohlinge - geliefert bekommen, dann rechnen wir noch einmal mit vier bis sechs Monaten, bis die Gitter fertig sind.

So lange, um ein paar Linien zu ritzen?!

Naja, es sind schon ganz schön viele Linien! 600 bis 2000 pro Millimeter, das heißt Abstände von wenigen hundert Nanometern zwischen den Linien. Und auch in Tiefe und Struktur muss jede einzelne Linie sehr exakt stimmen. Für so ein Gitter muss die Maschine oft zehn bis vierzehn Tage laufen – ohne Unterbrechung, ohne Erschütterungen, bei sehr konstanten Temperaturen. Dazu kommt die ganze Vorlaufphase, das Berechnen der Parameter – welche Beschichtung, welche Winkel usw., die ganzen Simulationen, damit der Strahl auch am Ende genau da rauskommt, wo er hin soll – das dauert einfach seine Zeit. Und mit dem Ritzen ist es ja auch nicht getan. Danach müssen die Muster noch mit einem Ionenstrahl eingeätzt werden, wieder alles sehr präzise, das geht auch nicht von heute auf morgen.

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Das klingt nach sehr großem Aufwand. Können Sie sich die Gitter nicht einfach von irgendwo liefern lassen?

Solche speziellen Sägezahngitter für Synchrotrons sind sehr schwer zu kriegen. Es ist im Gegenteil ein ziemlicher Glücksfall, dass wir so eine Maschine hier haben. Gerade für so ein großes Projekt wie EMIL ist es ein großer Vorteil, die ganze Expertise im Haus zu haben. So können wir viel besser planen und optimieren. Auch wenn mal etwas schiefläuft, können wir viel schneller reagieren.

Wie kam es denn dazu, dass die Apparatur hierher kam?

Das ist eigentlich eine sehr schöne Geschichte. Zeiss hat die Gitter-Produktion für Synchrotronanwendungen schon vor einigen Jahren reduziert und schließlich ganz aufgegeben. Ende 2011 hat schließlich das HZB die Maschinen erworben. Wir wollten damit sicherstellen, dass auch weiterhin Sägezahngitter speziell für Synchrotronanwendungen hergestellt werden.

Hier am HZB gab es dafür recht gute Voraussetzungen. Natürlich hatten wir anfangs nicht die konkrete Expertise, um genau so eine Anlage zu betreiben. Aber wir haben erfahrene Mikrotechnologen, Feinwerkmechaniker und Ingenieure, die sich schon viele Jahre mit Lithographie und dem Herstellen von Mikro- und Nanostrukturen beschäftigt haben. Und wir haben andererseits Ingenieure, die sich hervorragend in der Mechanik auskennen und zugleich auch Elektronik programmieren können. Die Maschine war ja doch ein bisschen in die Jahre gekommen als sie bei uns ankam, und wir mussten viele Elektronik-Komponenten ersetzen und Software neu schreiben.

Aber diese ganzen Kompetenzen waren eben hier im Haus vorhanden. Das hat dann dazu geführt, dass die Maschine in verhältnismäßig kurzer Zeit wieder lief. Unsere Spezialisten haben dazu ganze Arbeit geleistet. Seit Anfang 2013 stellen wir nun auch optische Gitter für andere Synchrotrons her.

Und wann sollen die EMIL-Gitter fertig sein?

Nun sind ja gerade erst die Rohlinge gekommen. Die müssen jetzt im Optiklabor bei Frank Siewert und Jana Buchheim genau vermessen werden. Erst wenn die beiden ihr Okay geben, können wir mit dem Ritzen beginnen. Der Plan ist, dass alle vier Gitter bis Jahresende fertig gestellt sind.