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hzbEMIL • Watching the Secret Lives of Atoms

The Mirror Zoo

authored 4 years ago:

Das EMIL-Spiegelkabinett oder: Präzise auf den Mond schießen

Ein Mensch ohne Bildung ist wie ein Spiegel ohne Politur. Und ohne Politur ist Berlins größte und aufwendigste Lampe, das Synchrotron BESSY II, nur eine mickrige Funzel.

Das optische Kernstück von EMIL, dem neuen Speziallabor am BESSY II, ist ein 65 Meter langes Strahlrohr, welches die Synchrotronstrahlung in einem Energiebereich von 80 eV bis 10.000 eV von der Quelle (dem Undulator) bis zum Experiment über eine Strecke von 65 m mit einer Genauigkeit von besser als 10 µm führt. Das ist sehr genau. Übersetzt in die Welt des Fußballs würde das bedeuten, dass ein Schütze, der von der Erde aus schießt, ein Tor treffen muss, das auf dem Mond steht.

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Leider gibt es für den Wellenlängenbereich der weichen Röntgenstrahlung keine geeigneten Linsenmaterialien, deshalb kann man die Strahlung nur mit Spiegeln ablenken und bündeln und das auch nur wenn man sehr flache Einfallswinkel (<1°) realisiert. Obwohl die Strahlung im Quellpunkt im Undulator nur wenige Mikrometer groß und fast wie ein Laser gebündelt ist, braucht man aufgrund des sehr flachen Auftreffwinkels Spiegel von bis zu einem Meter Länge. Diese Teile sind absolute feinoptische Meisterwerke, die weltweit nur von ganz wenigen Firmen gefertigt werden können. Die Produktionszeiten sind manchmal länger als ein Jahr und deshalb kosten diese Spiegel auch ein kleines Vermögen. Wer so einen Spiegel zerbricht kriegt bei weitem mehr Ärger als die üblichen sieben Jahre Pech in der Liebe! Wer solche Pretiosen handhabt, trägt eine ganz schöne Verantwortung für das gesamte Projekt und braucht starke Nerven und eine ruhige Hand.

Die ersten Spiegel der EMIL-Strahlrohre treffen nun ein. Bevor sie installiert werden können wird die Einhaltung der knallharten Spezifikationen überprüft. Dazu betreibt das HZB-Institut für Nanometer-Optik und Technologie ein Metrologielabor, das seit vielen Jahren zu den genauesten der Welt gehört. Viele Hersteller fürchten unsere Präzision, weil sie oftmals ihren eigenen Messmöglichkeiten weit überlegen ist. Die Oberfläche der Spiegel muss bis auf wenige Milliardstel Meter genau poliert sein.

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Ein Teil der Spiegel wird am HZB weiter veredelt, um das Röntgenlicht spektral zu zerlegen. Diese speziellen Optiken werden für die Monochromatoren benutzt, um das Röntgenlicht wie beim Regenbogen in seine allerdings für das Auge unsichtbare Spektralfarben aufzuspalten. Das erreicht man mit Reflexionsgittern. Dazu werden in die Spiegeloberfläche extrem regelmäßige Furchen geritzt. Das sind nicht einfach Kratzer sondern parallele, sägezahnähnliche Profile im Abstand von weniger als einem Mikrometer (Millionstel Meter) und einer Wiederholgenauigkeit von besser als 1 : 100000. Dazu betreibt das HZB seit kurzem ein Gitterteillabor, das weltweit einzigartig ist. In Kürze beginnt dort die Produktion der Gitter für die EMIL-Strahlrohre.

Präzise Optiken sind eine wesentliche Zutat des Strahlrohrrezepts, aber ohne eine präzise Halterung und Positionierung nützt die beste Politur nichts. Die insgesamt mehr als 20 optischen Elemente in EMILs Strahlrohren sind mit hochgenauen Mechaniken und einer komplexen computergestützten Ansteuerung ausgestattet. Auf diesem Feld betritt EMIL Neuland und setzt erstmals in Spiegelkammern und Monochromatoren sogenannte Absolutencoder ein. Dazu muss die Computersteuerung mit neuer Hardware verbunden und optimiert werden. Das macht man besser nicht am „lebenden“ System (7 Jahre Pech!) sondern optimiert so lange an einem Teststand bis man das System im Griff hat. Hiermit legen die Kollegen gerade mit großer Begeisterung los.

Am Ende muss alles perfekt zusammenkommen: blitzblank polierte Spiegel, hochpräzise Gitter und eine sehr feine Mechanik, damit EMIL seine Aufgaben optimal erfüllen und die Wissenschaftler zu wesentlichen Erkenntnissen über neue Energiematerialien kommen können. Ultrapräzise polierte Spiegel für die Energie der Zukunft und somit auch für die Bildung der Menschheit.

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