Kurzfassung
Im September 2001 wurde bei DESY der Freie-Elektronen-Laser (FEL)
für kurzwellige Strahlung an der
TESLA Test-Facility (TTF1) in Betrieb genommen. Im
Bereich der vakuum-ultravioletten (VUV) Strahlung überstieg die
Pulsleistung des FEL diejenige bestehender Lichtquellen um mehr als
das tausendfache. Damit wurde es erstmals möglich die
Wechselwirkung von intensiver, kurzwelliger Strahlung mit Materie zu
untersuchen. Die ersten Experimente wurden an Atom- und
Clusterstrahlen durchgeführt. Atom- und
Clusterstrahlen der Edelgase werden mithilfe einer
Düsenstrahlexpansion
erzeugt. Zum Nachweis der Ionisationsprodukte wurden
Flugzeitdetektoren eingesetzt. Bei einer Wellenlänge von 98 nm
kann die Ionisierung der Edelgasatome als "stufenweise"
Multiphotonen-Ionisation interpretiert werden. Verglichen mit einem
Atomstrahl ist die Absorption im Clusterstrahl weitaus stärker. Bei
einer Leistungsdichte von ~ 3 x 1013 W/cm2
absorbiert jedes Atom in einem Xe2500 Cluster durchschnittlich
~ 600 eV. Das entspricht einer Absorption von etwa 50
VUV-Photonen. Als Resultat der starken Absorption werden bis zu achtfach
geladene atomare Xenonionen nachgewiesen. Die
Cluster werden durch eine Coulombexplosion zerstört und emittieren
hochenergetische Ionen mit bis zu 3 keV kinetischer Energie. Im
Gegensatz zu Experimenten mit optischen Lasern beginnt die
Coulombexplosion bereits bei sehr viel niedrigeren, ungefähr zwei
Größenordnungen geringeren Leistungsdichten. Ein Vergleich mit
klassischen Modellen, die die Absorption bei optischen Wellenlängen
quantitativ beschreiben, zeigt, dass wahrscheinlich quantenmechanische
Prozesse berücksichtigt werden müssen, um die hohe Absorption
im FEL-Experiment bei kurzen Wellenlängen zu erklären.
At DESY, the short wavelength free-electron laser of the TESLA Test
Facility (TTF1-FEL) showed in September 2001 the production of
vacuum-ultraviolet radiation, whose peak power exceeded that of
existing light-sources by a factor of more than thousand. Thus it
opened the way to studies of matter with intense, short wavelength
radiation. First experiments on the interaction of intense,
short wavelength radiation with rare gas atom and cluster beams have
been conducted.
Atomic and cluster beams are produced by a supersonic nozzle expansion.
The ionisation products are detected by time-of-flight techniques. At
98 nm wavelength the ionisation of rare gas atoms is attributed to a
stepwise multiphoton ionisation. Compared to the atomic beam the
absorption in the cluster beam is strongly enhanced. At a power
density of ~ 3 x 1013 W/cm2 each atom in a
Xe2500 cluster absorbs on average ~600 eV,
corresponding to ~50 VUV photons. As a
result of the strong absorption multiply charged atomic ions up to
Xe8+ are produced. Finally, the cluster completely disintegrates
by Coulomb explosion, causing high kinetic energies of the ejected
ions up to 3 keV. Coulomb explosion begins at a power density
approximately two orders of magnitude lower than the threshold for such
processes
in optical laser experiments. A comparison is made with classical models
describing
quantitatively the energy absorption at optical wavelengths.
It appears that quantum mechanical processes have to be
included, in order to explain the energy absorption in the
present FEL experiment at short wavelengths.