Undulatoren spielen in Freie-Elektronen-Lasern wie dem XFEL eine wichtige Rolle. Ein Undulator ist eine Anordnung kleiner Magnete, die ein wechselndes Magnetfeld entlang der Bahn der Elektronen erzeugen. Dieses bringt die Elektronen auf einen Slalomkurs, wobei sie Strahlung abgeben.
Die Illustration sollte nun in so einen Undulator hineinschauen und zeigen, wie die Elektronen Röntgenstrahlen aussenden. Die PR-Stelle bezog sich dabei auf eine alte Animation über Strahlungsvorgang; zwei Szenen daraus sollten nun in einem Bild vereint werden.
Die erste Herausforderung bestand darin, die völlig unterschiedlichen Kamerapositionen beider Szenen zu kombinieren: In der Illustration sollte die 3D-Kamera den Undulator entlang blicken, gleichzeitig aber seitlich oder von oben auf die Elektronen schauen. Dies könnte mit einem sehr weitem Blickwinkel erreicht werden, und der erste Test zur Perspektive zeigte, dass es funktionierte. Nächste Hürde: Die Elektronen und die Strahlung.
Ein altes Problem: Wie stellt man Elektronen oder Röntgenstrahlen dar? Beide sind ja nicht gerade für eindeutige Formen und Farben bekannt. Was die Strahlung angeht, so ist es beim XFEL üblich, sie als sehr helles, weißes Licht darzustellen. Denn erstens sind Röntgenstrahlen eine Art (unsichtbares) Licht, und zweitens sind die des XFEL besonders “hell”, bzw. intensiv.
Elektronen wiederum werden im allgemeinen als Kugeln dargestellt. Hier allerdings rast ein ganzes Bündel (sprich: Millionen) von ihnen durch den Undulator, die als unscharfen, gepunktete, rote Wolke visualisiert wurden.
Ab dem zweiten Designvorschlag fehlt die Reflexion der Elektronen in den Magneten. Dieses Detail war den Wissenschaftlern sehr wichtig: Da die Elektronen fast mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs sind, würde man nie ihr Spiegelbild sehen (selbst wenn sie tatsächlich Kugeln wären).
Das Elektronenpaket besteht aus Scheiben, die auch Micro-Bunches genannt werden. Sie entstehen, weil die Strahlung auch auf die Elektronen selbst wirkt, und diese verlangsamt oder etwas beschleunigt. Dies gehört zum Vorgang, den man selbstverstärkte spontane Emission nennt, bei dem schließlich alle Elektronen gleichzeitig Röntgenstrahlen abgeben. Während es in Wirklichkeit etwa einhundert dieser Scheiben gäbe, werden in der Illustration nur 25 Unterteilungen dargestellt, damit man die Micro-Bunches überhaupt voneinander unterscheiden kann.
Die relativen Abmessungen des Elektronenpaketes in der fertigen Illustration entsprechen der Wirklichkeit. Allerdings wird das Paket in einem anderen Maßstab als der Undulator dargestellt: Während die Magneten einige Zentimeter breit sind, ist das Elektronenpaket gerade einmal 50 Mikrometer lang.
Passend zur Titelgeschichte über den European XFEL ziert die Undulator-Illustration die Titelseite der Märzausgabe von Physik in unserer Zeit, einer Zeitschrift von Wiley-VCH.
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