Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

Weitere Magazine

Empfehlungen

Info

Synchrotronstrahlung –mit fast unerschöpflichem PotentialSynchrotronstrahlung ermöglicht Einblicke in die belebteund unbelebte Welt von nicht gekannter Präzision. Insbesondereder extrem große Spektralbereich vom Infraroten bishin zu energiereicher Röntgenstrahlung und die untersuchbarenZeitskalen machen Synchrotronstrahlung zu einem unerlässlichenWerkzeug für die moderne Wissenschaftslandschaft.Die Forschung mit Synchrotronstrahlung ergänzt dabeiandere Techniken an Großlaboren (wie z. B. die Neutronenstreuung)und konventionelle Labormethoden (wie z. B. die Laserspektroskopie).Die Strahlung moderner Quellen ermöglicht vielfältige,interdisziplinär angesiedelte Anwendungen, die von einerbreiten Nutzerschaft durchgeführt werden. Die Forschungsbereiche,die heutzutage von der Synchrotronstrahlung profitieren,erstrecken sich von der Physik über die Chemie,Materialforschung, Geo- und Umweltwissenschaften bis zuden Lebenswissenschaften Biologie und Medizin. Weltweitwird heute beispielsweise die weit überwiegende Anzahlvon Proteinstrukturen mit Hilfe von Synchrotronstrahlungentschlüsselt. Der in diesem Bereich gestiegene Bedarf nachExperimenten spiegelt sich in den weltweit neu aufgebautenSynchrotronstrahlungsquellen wider. Darüber hinaus istder Wunsch nach hochwertiger Strahlung vor allem hinsichtlichEnergie- und Ortsauflösung, Intensität, Brillanz,Polarisationsvariation und Zeitauflösung beständig gewachsen.Die stetig ansteigenden Nutzerzahlen unterstreichen dieNotwendigkeit und die Vorteile hochbrillanter Synchrotronstrahlung.Auf den Seiten 12 bis 37 dieser Broschüre wird anhand vonEinblicken in verschiedene Wissenschaftsdisziplinen die Bedeutungder Forschung mit Synchrotronstrahlung unterstrichenund deren mittelfristige Entwicklungen in den jeweiligenForschungsfeldern diskutiert. Beispiele aus Forschungsarbeiten,die in führenden Wissenschaftsjournalen veröffentlicht wurden,beschreiben Ergebnisse zu aktuellen Forschungsthemen.Allerdings kann hier nur ein kleiner Ausschnitt aus der spannendenForschung wiedergegeben werden.Moderne beschleunigerbasierte StrahlungsquellenWird die Bahn von Elektronen durch ein Magnetfeld gekrümmt,so senden die Teilchen elektromagnetische Strahlungaus. Je nach Energie der Elektronen und der Stärke des Magnetfeldeswird auf diese Weise Synchrotronstrahlung mit verschiedenenWellenlängen und Intensitäten erzeugt.In Teilchenbeschleunigern für die Teilchenphysik ist dieseSynchrotronstrahlung ein Ärgernis, denn die Elektronen verlierenbei dem Prozess Energie. Im Laufe der Zeit zeigte sichaber, dass Synchrotronstrahlung als Werkzeug genutzt werdenkann, das für die heutige Forschung unersetzlich ist.Dazu wurden Ringbeschleuniger gebaut, die mit speziellenMagnetstrukturen ausgestattet für die Erzeugung von hochbrillanterSynchrotronstrahlung optimiert wurden. Durchgeeignete Monochromatoren und Strahlführungssystemekann Licht einer gewünschten Wellenlänge extrahiert und fürzahlreiche Experimente genutzt werden. An einem Ringbeschleunigerkönnen auf diese Weise mehr als 50 Experimentegleichzeitig ablaufen.Mit dediziert für die Erzeugung von Röntgenlicht aufgebautenSynchrotronstrahlungsquellen der sogenannten zweitenGeneration (z. B. DORIS III in Hamburg, BESSY I in Berlin)konnten ab Mitte der 1970er Jahre zahlreiche Experimente zurUntersuchung der kondensierten Materie mit intensiverStrahlung unterschiedlicher Wellenlänge und variabler Polarisationdurchgeführt werden.Mit dem Aufbau von Strahlungsquellen der dritten Generation(z. B. ESRF, BESSY II, PETRA III), die sich durch stärkergebündelte Teilchenstrahlen und den Einbau von Undulatorenauszeichnen, ergab sich eine drastische Steigerung der Leuchtstärke(Brillanz). Diese Steigerung resultiert daraus, dass die geladenenTeilchen eine periodische Magnetstruktur durchlaufenund die dabei emittierte Strahlung sich kohärent überlagernkann. Die höhere Brillanz hat neue Forschungsfelder stimuliertund neue Experimente ermöglicht. So basieren unter anderemder Erfolg der mikroskopisch abbildenden Experimente oderauch die höchstauflösende Spektroskopie auf der hohen Brillanzdieser Quellen.10 Synchrotronstrahlung 2009
Linearbeschleunigerbasierte Röntgenquellen (Freie-Elektronen-Laserund künftige Energy-Recovery-Linacs) bringenin vielfacher Hinsicht einen weiteren Gewinn: Neben einerdeutlichen Steigerung an Kohärenz eröffnen sie eine variableZeitstruktur und eine drastisch gesteigerte Brillanz. Bisher vollständigunbekannte Phänomene lassen sich erforschen, unteranderem kann man nicht-lineare Prozesse vom VUV bis in denRöntgen-Bereich hinein untersuchen.In Freie-Elektronen-Lasern (FEL) wird die Strahlung inextrem langen Undulatoren erzeugt. FEL benutzen dazu hochenergetischeElektronenpakete extrem hoher Bündelung undkurzer Dauer, die im Undulator auf einen Slalomkurs gezwungenwerden. Dabei senden die Elektronen Synchrotronstrahlungaus, die in Wechselwirkung mit den Elektronenpaketentritt und ihnen nach und nach eine Substruktur auf derLängenskala der Wellenlänge des emittierten Lichtes aufprägt.Letztlich überlagert sich die von diesen Subpaketenemittierte Synchrotronstrahlung kohärent. Die so erzeugteFEL-Strahlung zeichnet sich durch eine hohe Brillanz, vollständigeräumliche sowie teilweise zeitliche Kohärenz, kurze Pulsdauernund eine geringe Energiebreite aus.Ein Energy-Recovery-Linac (ERL) vereint die Vorteile einesLinearbeschleunigers mit denen eines Speicherrings. ERL habengegenüber Freie-Elektronen-Lasern den Vorteil, dass zahlreicheNutzer gleichzeitig mit der intensiven und hochbrillanten Strahlungbei flexiblen Bedingungen der Pulslänge, Pulsfrequenzund Kohärenz experimentieren können.Deutschland spielt in der Entwicklung der beschleunigergetriebenenPhotonenquellen international eine führende Rolle.Mit den Freie-Elektronen-Laser-Anlagen in Hamburg (FLASH,European XFEL) werden einzigartige Experimentierbedingungenfür die Forschung mit hochenergetischen Strahlungspulsen miteiner Länge von ca. 20 Femtosekunden geschaffen. Bei kurzenStrahlungspulsen im Bereich von wenigen Femtosekundenkonkurrieren die beschleunigergetriebenen Strahlungsquellenmit Laborlaserquellen, die derzeit Pulse bis in den Attosekundenbereichliefern. Allerdings sind diese Quellen kaum in vergleichbaremMaße wie die Synchrotronstrahlung oder FEL-Strahlung durchstimmbar.Deutschland ist am Betrieb und Aufbau zahlreicherSynchrotronstrahlungsquellen sowie Freie-Elektronen-Laserbeteiligt. Die Beschreibungen dieser Quellen auf den Seiten 38bis 51 ermöglichen deren Vergleich.Vergleich der Spitzenleuchtkraftder Strahlungsquellender drittenGeneration mit denFreie-Elektronen-Lasern.Dort wird gegenüberheutigen Quellen eineSteigerung um etwa 10Größenordnungenerwartet.Synchrotronstrahlung 2009 11
Seite 1 und 2: SYNCHROTRONSTRAHLUNGEINE STUDIE DES
Seite 3 und 4: EinleitungMit dieser Broschüre leg
Seite 5 und 6: Visionen und EmpfehlungenDie zukün
Seite 7 und 8: Auch in den USA, Russland und in Ja
Seite 9: Der internationale KontextDie europ
Seite 13 und 14: Mit Synchrotronstrahlung zu bessere
Seite 15 und 16: Abbildung 1 Abbildung 2 Abbildung 3
Seite 17 und 18: Blicke in die Motoren des LebensUnt
Seite 19 und 20: Die Himmelsscheibe von NebraEine ze
Seite 21 und 22: Abbildung 1:Lichtmikroskopische Auf
Seite 23 und 24: Unerwartete Spins im ErdinnerenStud
Seite 25 und 26: Ultraschnelle EntmagnetisierungDie
Seite 27 und 28: Elektronenpaare in Quantenfernbezie
Seite 29 und 30: Abbildung 1 Abbildung 2Probleme der
Seite 31 und 32: Supraleiter unter DruckAbbildung 1
Seite 33 und 34: Abbildung 1Blitzaufnahmen bei FLASH
Seite 35 und 36: Weltraumchemie im Labor untersuchtU
Seite 37 und 38: Synchrotronstrahlung überwacht Sch
Seite 39 und 40: gentomografie sowie konfokale Rönt
Seite 41 und 42: versitären Forschungseinrichtungen
Seite 43 und 44: krostrukturierten Proben aller Art
Seite 45 und 46: Quellen, weil die Elektronenpakete
Seite 47 und 48: Röntgenstrahldiagnostik für einze
Seite 49 und 50: Der ESRF-Haushalt von 84 Millionen
Seite 51 und 52: DELTAan der Technischen Universitä
Seite 53 und 54: Unterstützung des Erweiterungsprog
Seite 55 und 56: 3. Entwicklung von Strahlungsquelle
Seite 57 und 58: 6. Rolle der Verbundforschung -Übe
Seite 60:
SYNCHROTRONSTRAHLUNG
Alle anzeigen

Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

Erfolgreiche ePaper selbst erstellen

Template löschen?

Als Template speichern?