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Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Technische Entwicklung der Synchrotronstrahlung
 
Beim Betrieb von Ringbeschleunigern für die Hochenergiephysik, zum Beispiel Synchrotrons, stellte man fest, dass die beschleunigten Elektronen starke Energieverluste erleiden. Gerade wenn sich letztere mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf einer Kreisbahn bewegen, geben sie einen großen Teil ihrer Energie als Synchrotronstrahlung tangential nach außen ab.


McMillan 1948, Quelle: LBNL Image Library

Bald kamen Wissenschaftler auf die Idee, Synchrotrons als Strahlungsquellen zu nutzen. Aus den 60iger Jahren sind erste Experimente zur Photoelektronenspektroskopie bekannt, in den 70igern wurden Streuexperimente verwirklicht, die erstmals von der hohen Intensität und spektralen Durchstimmbarkeit der Synchrotronstrahlung profitierten. Die ersten Anwendungen waren parasitär, d.h. die Experimente wurden simultan mit den Kollisionsexperimenten der Hochenergiephysik ausgeführt und waren stark von deren Betriebsbedingungen abhängig. Trotzdem waren sie lohnend, weil die nutzbare Intensität dieser Quellen der 1. Generation in einem breiten Spektralband um ein Vielfaches höher war als diejenige, die man bisher von Laborquellen kannte, und weil man die neuartigen Eigenschaften dieser Quellen, wie Polarisation und kurze Pulse, ausnutzen konnte. Aufgrund des Erfolgs der ausgeführten Experimente und wegen der wachsenden Zahl von Interessenten erkannte man, dass es sich lohnt, spezielle Speicherringe für die Erzeugung von Synchrotronstrahlung zu bauen, um stabile Strahlungsbedingungen zu erhalten. In diesen Strahlungsquellen der 2. Generation werden die vorbeschleunigten Elektronen (oder Positronen) auf einer exakt berechenbaren Kreisbahn gehalten. Die bei jedem Umlauf durch Strahlung verloren gegangene Energie wird systematisch "nachgeladen". Die Krümmung der Elektronenbahn erfolgt durch Dipolmagnete; weitere verschiedenartige Multipolmagnete sorgen für eine präzise Strahlführung und optimale Bündelung des Elektronenstrahls.

Die Lebensdauer der gespeicherten Elektronen oder Positronen im Speicherring und damit die Intensität der Strahlung hängt heute vor allem von der Qualität des Vakuums im Ring ab und kann mehrere Stunden bis Tage betragen. Kennt man die Energie der Teilchen im Ring und die Stärke des Magnetfeldes der Ablenkmagneten, so lässt sich die emittierte Strahlung in ihrer Intensität und spektralen Abhängigkeit exakt vorhersagen. Daher ist die Synchrotronstrahlung als Strahlungsnormal geeignet und wird als solches von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt verwendet. Bei einer Teilchenenergie von mehreren Gigaelektronenvolt (GeV) reicht das Emissionsspektrum vom infraroten Spektralbereich mit Wellenlängen um 100 μm bis in den Spektralbereich der Gammastrahlung (10 pm). Einzelne Wellenlangen lassen sich mittels Monochromatoren separieren bzw. nacheinander anfahren. Dies ermöglicht eine Vielzahl sehr verschiedenartiger Experimente zur Aufklärung der geometrischen und elektronischen Eigenschaften der Materie.

Die Synchrotronstrahlung hat zusätzliche, sehr interessante Eigenschaften. Weil die Bahn der beschleunigten Teilchen vertikal auf wenige Mikrometer begrenzt ist, erfolgt die Emission tangential zur Kreisbahn nahezu exakt in der Ebene des Teilchenumlaufs. Die emittierte Strahlung ist deshalb in dieser Ebene nahezu vollständig linear polarisiert. Außerdem sind die im Speicherring umlaufenden Teilchen nicht gleichmäßig, sondern in Paketen verteilt. Strahlung wird nur dann emittiert, wenn ein "Paket" gerade einen Ablenkmagneten passiert. Somit erfolgt die Strahlungsemission mit einer exakt vorhersagbaren Zeitstruktur, die von der Paketgröße und dem zeitlichen Abstand der Pakete untereinander abhängt.

Die "Brillanz" der Synchrotronstrahlung, d.h. die Zahl der Photonen innerhalb eines schmalen Energiebereichs pro Fläche, Raumwinkel und Zeit, ist ein Maß für die Qualität der emittierten Strahlung. Im Vergleich zu einer Röntgenröhre ist die Brillanz der von einem Ablenkmagneten ausgehenden Strahlung um bis zu 6 Zehnerpotenzen größer. Trotzdem lässt sich die Qualität der Strahlung enorm steigern, wenn man die Elektronen bzw. Positronen durch die Wirkung einer Reihe von alternierend gepolten Magneten auf eine oszillierende Bahn zwingt, d.h. wenn die Strahlung nicht von einem einzelnen, sondern von einer Folge hintereinander geschalteter Kreisbögen ausgeht. Diese in den geraden Abschnitten des Speicherrings installierten "Wiggler" steigern die Intensität der nutzbaren Strahlung im gesamten Spektralbereich um weitere 4-6 Größenordnungen. Ist die Auslenkung der Elektronen aus ihrer ursprünglich geraden Bahn gering, spricht man von "Undulatoren". Diese erzeugen aufgrund von Interferenzeffekten eine energetisch schmalbandige Emission mit abermals um weitere 3-4 Zehnerpotenzen erhöhter Brillanz.

Wiggler und Undulatoren und die sehr kleine Emittanz des Elektronenstrahls sind die charakteristischen Elemente von Synchrotronstrahlungsquellen der 3. Generation. Beispiele sind die European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, Diamond bei Oxford, SOLEIL in Saclay, die Advanced Light Source (ALS) in Berkeley, die Advanced Photon Source (APS) in Chicago, Spring8 in Japan und die deutsche Quelle BESSY II in Berlin-Adlershof. Hier sind Experimente vom Vakuum- UV bis in den harten Röntgenbereich mit einer extremen spektralen, räumlichen und zeitlichen Auflösung sowie mit frei wählbarer Polarisation möglich. Die Quellen der 3. Generation führen deshalb zu vielen völlig neuartigen Erkenntnissen und Resultaten sowie zu Experimenten, die an den Vorgängerquellen nicht möglich waren. Die Entwicklung dedizierter Strahlungsquellen hat inzwischen eine neue Dimension erreicht. Röntgenstrahlung mit nochmals um 10 Zehnerpotenzen höherer Brillanz lässt sich mit "Freie-Elektronen-Lasern" erzeugen. Hier werden Elektronen in einem Linearbeschleuniger beschleunigt und dann in einem mehrere 100 Meter langen Undulator auf eine "Schlangenlinie" gezwungen. Die Parameter lassen sich so wählen, dass sich die erzeugte spontane Strahlung wie in einem Laser selbst verstärkt. Dieses sog. SASEPrinzip ("Self-Amplified Spontaneous Emission") des "Freie-Elektronen-Lasers" konnte inzwischen für den weichen Röntgenbereich experimentell bestätigt werden. Seine Übertragung auf den harten Röntgenbereich wird derzeit mit großem Engagement betrieben. Nach Realisierung lassen sich völlig neue Experimente erwarten, die insbesondere die hohe Brillanz und Kohärenz der Strahlung sowie die Zeitstruktur der Photonenpulse im Bereich von 100 Femtosekunden und darunter ausnutzen werden.

Quelle: KFS-Broschüre "Forschung mit Synchrtronstrahlung in Deutschland - Status und Perspektiven (2001)"
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