Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

METHODEN, INSTRUMENTE UND STANDARDSMethodische Möglichkeiten voll ausnutzenNur eine gezielte Weiterentwicklung der eingesetzten Methodenund Instrumente lassen die Möglichkeiten heutigerund zukünftiger Strahlungsquellen voll ausschöpfen.Die großen Fortschritte bei der Forschung mit Synchrotronstrahlungder letzten Jahre sind nicht zuletzt auf die rasanteEntwicklung neuer Methoden und Instrumentezurückzuführen. Die instrumentellen Entwicklungen sind sehrvielseitig und umfassen das gesamte Experiment – von der Erzeugungder Synchrotronstrahlung über die röntgenoptischeStrahlführung, die Probenumgebung, die Detektion der Strahlungbis hin zur Verarbeitung der gemessenen Daten. Dabei sindmit fortschreitender Optimierung die einzelnen Aspekte einesExperiments immer schwerer voneinander zu trennen. Die Automatisierungder Messung, Datenerfassung und -auswertungsowie die Probenvorbereitung und -charakterisierung in geeignetenLaboratorien in der Nähe der Strahlführungen gewinnteine immer größere Bedeutung. Durch methodische und instrumentelleVerbesserungen können wesentliche Fortschritteerzielt werden.Synchrotronstrahlung wird seit einigen Jahrzehnten genutzt,wobei sich eine Vielzahl von Methoden etabliert hat.Durch den Bau der Synchrotronstrahlungsquellen der drittenGeneration wie BESSY II oder die ESRF konnte die Qualität derStrahlung wesentlich verbessert werden. Insbesondere wurdeihre Brillanz um viele Größenordnungen gesteigert, so dass dieAuflösung vieler Röntgenverfahren wesentlich verbessert beziehungsweiseüberhaupt erst ermöglicht wurden (sieheForschungsbeispiel rechts). Die im Bau befindliche SynchrotronstrahlungsquellePETRA III bei DESY wird weltweit die brillantesteQuelle im harten Röntgenbereich sein. Sie kommt deridealen speicherringbasierten Quelle schon so nahe, dass wesentlicheSteigerungen der Brillanz ganz neue Konzepte erfordernwie etwa die des Freie-Elektronen-Lasers oder desEnergy-Recovery-Linacs. Eine solche Steigerung der Brillanzgegenüber dem heutigen Stand ist notwendig, um zum Beispieldie Orts- und Zeitauflösung struktureller Untersuchungen inden atomaren Bereich zu bringen.Die hohen Brillanzen moderner und zukünftiger Quellen erforderneine anspruchsvolle Instrumentierung. In den letztenJahren wurden hier große Fortschritte erreicht, insbesondereauch im Hinblick auf zukünftige Quellen wie den European XFEL.Dennoch sind Optiken, mechanische Komponenten und Detektorenheute meist vom Stand der Technik begrenzt. Das führtdazu, dass die experimentellen Möglichkeiten der heutigen undinsbesondere der zukünftigen Quellen mit den derzeitigen Mittelnnoch nicht vollständig ausgeschöpft werden können. Mitneuen Undulatoren können in Zukunft die Brillanz und andereStrahlungsparameter wie etwa Polarisation weiter optimiertwerden. Besonders hohe Anforderungen stellt dies an die optischenElemente – darunter Filter, Spiegel, Monochromatorenund erste fokussierende Elemente, die trotz hoher Belastungihre Funktion unter möglichst geringer Beeinträchtigung derStrahlqualität erfüllen sollen. Eine optimale Nutzung der Strahlungerfordert eine Weiterentwicklung dieser Komponenten. Mitwachsender Orts- und Zeitauflösung steigen auch die Anforderungenan fokussierende und abbildende Elemente. Auch hiersind instrumentelle Weiterentwicklungen nötig.Für die meisten Experimente stellen die heutigen Detektoreneine starke Einschränkung dar. Dies gilt insbesondere fürihre Orts-, Zeit- und Energieauflösung sowie Empfindlichkeitund Dynamik. Wegweisend sind die derzeit aufkommenden Pixeldetektoren,die eine massiv parallele Datennahme ermöglichen.Sie befinden sich in einer frühen Phase der Entwicklung.Insbesondere für ihren Einsatz an FEL-Quellen besteht noch erheblicherEntwicklungsbedarf.Synchrotronstrahlung ermöglicht das Innere einer Probe zuuntersuchen. Dies wird zunehmend in Experimenten genutzt,bei denen Proben zum Beispiel in chemischen Reaktoren unterhohen Drücken, bei verschiedenen Temperaturen oder in hohenMagnetfeldern untersucht werden. Hier kann die Entwicklungspezieller Probenumgebungen zur Untersuchung von Materieunter kontrollierten – auch zeitlich veränderlichen – Bedingungenbeitragen, die mit anderen Methoden nicht möglich ist.Neben der instrumentellen sind auch methodische Entwicklungennotwendig – etwa im Bereich der Datennahme und -interpretation.Letztere erlangt eine Schlüsselrolle, z. B. in der Tomographieoder bei der Rekonstruktion eines Objekts aus seinemBeugungbild (siehe Forschungsbeispiel rechts).Wie bereits in der makromolekularen Kristallographie eindrucksvolldemonstriert, ist eine systematische Standardisierungund Optimierung der Abläufe notwendig, um das Potentialmoderner und zukünftiger Quellen auszuschöpfen.32 Synchrotronstrahlung 2009