Forschung mit Synchrotronstrahlung

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Forschung mit Synchrotronstrahlung und Anwendungen

Synchrotronstrahlung ist das Licht, das uns die materielle Welt besser verstehen läßt. Es zeigt uns, wie Materialien im Innersten aufgebaut sind und funktionieren. Mit diesem Wissen können wir den großen Herausforderungen unserer Zeit besser begegnen. Wir suchen Antworten auf Probleme in den Bereichen Energie, Umwelt, Gesundheit und Information. Maßgeschneiderte Materialien eröffnen neue Horizonte für eine nachhaltige Gestaltung der Zukunft.

Was ist Synchrotronstrahlung?

Wenn geladene Teilchen beschleunigt werden, strahlen sie Licht aus. In einer Antenne schwingen Elektronen hin und her und senden dabei Strahlung aus, die sich im elektromagnetischen Spektrum befinden, das für das Radio oder Fernsehen genutzt wird. Wenn Elektronen, die sich fast mit Lichtgeschwindigkeit (v=0.9c) fortbewegen, auf eine gekrümmte Bahn gezwungen werden (Kreise, Spiralen oder "Slalom" in einem Undulator), werden sie zur Mitte der Kurve hin beschleunigt und strahlen senkrecht dazu die sogenannte Synchrotronstrahlung ab.

Synchrotronstrahlung existiert auch im Weltraum. In der Astronomie tritt sie immer dann auf, wenn sich ein heißes Plasma in einem Magnetfeld befindet. Beispiele für kosmische Synchrotronquellen sind Pulsare, Radiogalaxien und Quasare. Im Labor wurde Synchrotronstrahlung erstmals 1947 im General Electric Research Laboratory (USA) beobachtet. Zuerst wurde sie nur als störend empfunden, da sie zu einem Energieverlust der im Synchrotron beschleunigten Teilchen führte, aber in den 1960er Jahren begriff man, welche außergewöhnlichen Eigenschaften diese Strahlung hat. Die Synchrotronstrahlung, die heute erzeugt wird, ist sehr intensiv. Sie deckt einen breiten Bereich verschiedener Wellenlängen ab, vom langwelligen Infrarotlicht, über das sichtbare Licht und die kurzwellige UV-Strahlung bis hin zur sehr kurzwelligen Röntgenstrahlung. Der Strahl ist so dünn wie ein Haar und eine Billion mal stärker als z.B. ein Röntgengerät im Krankenhaus, das Licht in einem breiten Winkel und nur bei bestimmten Wellenlängen abstrahlt. Außerdem ist die Strahlung polarisiert, in der Ebene des Synchrotrons linear, darunter und darüber mehr oder weniger stark elliptisch. Schließlich ist sie auch gepulst, und die Pulsfrequenz und -dauer sind (in engen Grenzen) einstellbar.

Will man Synchrotronstrahlung künstlich erzeugen, benutzt man streng genommen nicht Synchrotrons, sondern Speicherringe. Während in Synchrotrons die geladenen Teilchen weiter beschleunigt werden, wird bei einem Speicherring nur der Energieverlust stets ausgeglichen, um die Energie des Teilchenstrahls und somit das Energiespektrum der Synchrotronstrahlung konstant zu halten. Eine neuere Entwicklung sind die Freie-Elektronen-Laser (FEL), mit denen ebenfalls Synchrotronstrahlung erzeugt wird. Für die Erzeugung von Synchrotronstrahlung existieren weltweit etwa 30 Laboratorien. In Deutschland sind das unter anderem BESSYII am HZB in Berlin, PETRAIII und FLASH am DESY in Hamburg, European XFEL in Hamburg und Schenefeld, die Elektronen-Stretcher-Anlage an der Universität Bonn, DELTA an der Universität Dortmund und KARA in Karlsruhe.


Quellen: Wikipedia / lighsources.org

Was ist ein Freie-Elektronen-Laser (FEL)?

Der Freie-Elektronen-Laser (kurz: FEL) ist eine Synchrotronstrahlungsquelle, die kohärente Strahlung mit sehr hoher Brillanz erzeugt. Als kohärent wird Strahlung bezeichnet, deren Bestandteile (Wellenpakete) in festen Beziehungen zueinander schwingen. Aufgrund der Kohärenz der Strahlung wird der FEL als Laser bezeichnet. Freie-Elektronen-Laser decken prinzipiell große Teile des spektralen Bereichs ab, sind aber auf einen bestimmten Bereich optimiert. So arbeitet der Particle Physics Lab FEL in Dubna im Millimeterbereich, der FLASH (Free-Electron Laser in Hamburg) am DESY in UV-Bereich (6 bis 30 nm) und der European XFEL in Schenefeld und Hamburg decken den Röntgenbereich bis 0,05 nm ab. Solche Freie-Elektronen-Laser werden oft als Röntgenlaser bezeichnet.

Der erste Teil eines Freie-Elektronen-Lasers besteht aus einem Teilchenbeschleuniger, in dem Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Im zweiten Teil werden die Elektronen in speziellen Magnetfeldanordnungen (so genannten Undulatoren) auf einen Slalomkurs gebracht und geben dabei Strahlung ab. Diesen Aufbau haben FELs mit konventionellen modernen Synchrotronstrahlungsquellen gemeinsam. Der Trick bei einem FEL ist nun, die Elektronen auf ihrem Weg durch das Magnetfeld des Undulators mit einer Strahlung wechselwirken zu lassen, die genau die gleiche Wellenlänge hat wie die Strahlung, die die Elektronen aussenden. Dann entsteht ein FEL, der um ein Vielfaches intensiver leuchtet.

Dabei nutzt man den Microbunching-Effekt aus, der dafür sorgt, dass eine Mikrostrukturierung des Elektronenpaketes durch die Wechselwirkung mit der erzeugten Laserstrahlung entsteht. Das Elektronenpaket wird in dünne Scheiben strukturiert, die senkrecht zur Flugrichtung ausgerichtet sind. Diese Scheiben haben einen genau auf die Strahlung ausgerichteten Abstand, der gleich der Wellenlänge ist, so dass alle Elektronen in dem Paket gleichzeitig kohärent strahlen können.

Die Wellenlänge eines FEL kann durchgestimmt werden, indem die Energie der Elektronen variiert wird. Moderne FEL liefern kohärente Strahlung hoher Intensität bis in den Röntgenbereich.

Quellen: Wikipedia / Welt der Physik