CAMP: Der erste Beamline Detektor an der stärksten Röntgenquelle LCLS am Stanford Linear Accelerator Center

CAMP (CFEL ASG Multi-Purpose) ist eine Experimentier- und Messkammer für Röntgenstrahlung einer Energie von 500 eV bis 2.000 eV. Ende 2009 wurde CAMP an der Messstation AMO (Atomic, Molecular & Optical science) in Betrieb genommen, es war das erste voll funktionsfähige Instrument an der größten und intensivsten Röntgenquelle, dem LCLS (Linac Coherent Light Source) am SLAC (Stanford Linear Accelerator Center). LCLS gehört zu der neuesten Generation von FELs (Free Electron Laser) und bedient jeweils eine von sechs Experimentier-Stationen mit 120 Röntgenpulsen pro Sekunde. Bis zu 10¹³ Röntgenphotonen treffen in einem Zeitintervall von nur 10^-14 Sekunden auf eine Probe und erzeugen ein Streubild aus dem man die Struktur und die Dynamik des Streuers (der Probe) wieder rekonstruieren kann.

Ein zentraler Bestandteil von CAMP sind zwei Röntgenkameras – eine wenige Zentimeter die andere einen halben Meter entfernt vom Wechselwirkungspunkt. Jede Kamera hat eine Million Pixel und besteht aus zwei pnCCD Modulen, die vom MPI Halbleiterlabor und PNSensor entwickelt wurden. Die unterschiedliche Position der Detektoren erlaubt es die gestreuten Röntgenphotonen sowohl unter sehr kleinen als auch unter großen Winkeln messen zu können. Die Detektoren haben in der Mitte ein Loch, um die nicht gestreuten Photonen ohne Wechselwirkung passieren lassen zu können. Der dem Ort der Streuung der Photonen mit der Probe am nächsten befindliche Detektor kann in allen drei Raumrichtungen bewegt werden, um so eine optimale Experimentgeometrie zu erzeugen. An der Messkammer sind Ionen- und Elektronenspektrometer angebracht, die es erlauben die kinetische Energie und die Richtung der Ionen und Elektronen aus dem Streuprozess zu messen. Mit der zusätzlichen Information der Röntgendetektoren lässt sich die gesamte Kinematik der Streuung rekonstruieren. Etwa 25 wissenschaftliche Experimente wurden bisher mit CAMP an der AMO Beamline durchgeführt, die pnCCD Kamera wurde außerdem an die anderen Messstationen "ausgeliehen".

PNSensor hatte bei der Entwicklung des CAMP Systems eine zentrale Funktion: Die erfolgreiche Entwicklung der pnCCDs und der Zuschnitt auf die sehr speziellen Anforderungen des Röntgen-FEL am SLAC waren entscheidende Innovationen dieses ersten Detektorsystems für einen Hochenergie FEL. Design, Layout, Fertigung und Test lagen in der Verantwortung von PNSensor, ebenso wie die Integration in eine komplexe experimentelle Umgebung und die Anbindung an die Rechnersysteme am SLAC. Die Erkenntnisse für den zukünftigen Einsatz von pnCCDs an anderen FEL Forschungsanlagen in Europa, den USA und Asien sind von unschätzbarem Wert. Mitte 2013 wurde CAMP abgebaut und wieder nach Deutschland zurückgebracht, um am Niederenergie FEL FLASH am DESY in Hamburg Ende 2014 von PNSensor wieder in Betrieb genommen zu werden.

Weblinks:

• Röntgenlaser durchleuchtet biologische Nanostrukturen
• SLAC today: CAMP-ing at LCLS
• LCLS Homepage (englisch)

Literatur:

1. Strüder, L. et al., "Large-format, high-speed, X-ray pnCCDs combined with electron and ion imaging spectrometers in a multipurpose chamber for experiments at 4th generation light sources", 2011 NIM A 614 (3), pp 483-496, 2010; DOI:10.1016/j.nima.2009.12.053
2. Henry N. Chapman et al., "Femtosecond X-ray protein nanocrystallography", 2011 Nature 470, pp 73-77, 2011; DOI:10.1038/nature09750
3. M. Marvin Seibert et al., "Single mimivirus particles intercepted and imaged with an X-ray laser", Nature 470, pp 78-81, 2011; DOI:10.1038/nature09748
4. N. D. Loh et al., "Fractal morphology, imaging and mass spectrometry of single aerosol particles in flight", Nature 486, pp 513-517, 2012; DOI:10.1038/nature11222
5. Benedikt Rudek et al., "Ultra-efficient ionization of heavy atoms by intense X-ray free-electron laser pulses", Nature Photonics 6, pp 858-865, 2012; DOI:10.1038/nphoton.2012.261
6. T. Gorkhover et al., "Nanoplasma Dynamics of Single Large Xenon Clusters Irradiated with Superintense X-Ray Pulses from the Linac Coherent Light Source Free-Electron Laser", Phys. Rev. Lett. 108, 245005, 2012; DOI:10.1103/PhysRevLett.108.245005
7. Linda C Johansson et al., "Lipidic phase membrane protein serial femtosecond crystallography", Nature Methods 9, pp 263-265, 2012; DOI:10.1038/nmeth.1867