Beschleunigerforschung
Blick ins Innere des Elektronenspeicherrings BESSY II, wo Elektronenpakete mit nahezu Lichtgeschwindigkeit im Kreis fliegen. Viele Komponenten sind nötig, um die brillante Synchrotronstrahlung zu erzeugen. Foto: HZB/M. Janda
Synchrotronstrahlungsquellen werden von Forschern fast aller Disziplinen rege genutzt. In der Biologie, den Umweltwissenschaften, Chemie oder Physik – überall wollen Forscher kleinste Atomstrukturen analysieren. Um das spezielle Synchrotron-Licht zu erzeugen, benötigt man jedoch schnelle Teilchen, die durch bestimmte Magnetsysteme laufen müssen – bei BESSY II werden hierfür Elektronen beschleunigt.
Mehrere Gruppen arbeiten an anspruchsvollen Beschleunigerkonzepten, die in der Fachgemeinschaft viel Beachtung finden. Dadurch hat sich Berlin zum wichtigen Hotspot der international vernetzten Beschleunigerforschung etabliert.
Bei der Entwicklung von neuartigen Beschleunigern betreten die Forscherinnen und Forscher technisches Neuland. Die Grenze des Machbaren wird stetig weiterverschoben: Heute setzen Forschende Beschleunigerkonzepte um, die noch vor ein paar Jahren als kaum realisierbar galten.
BESSY VSR (Variabler Pulslängenspeicherring)
Eines dieser innovativen Projekte ist VSR Demo. Mittels des VSR-Konzepts können in einem Speicherring gleichzeitig lange Lichtpulse von etwa 15 Pikosekunden, wie sie etwa BESSY II aktuell erzeugt, und kurze Pulse von nur 1,5 Pikosekunden produziert werden - und zwar mit der vollen Brillanz. Dies eröffnet die Option, sehr schnelle chemische und physikalische Prozesse zu beobachten. Technisch ist dies jedoch höchst anspruchsvoll. Denn dafür muss ein Teil der Elektronenpakete mithilfe von supraleitenden Kavitäten stark komprimiert werden.
Mit supraleitenden Niob-Kavitäten lässt sich ein Strahl extrem großer Stabilität und Qualität erzeugen. Illustration: HZB/E. Strickert
Supraleitende Kavitäten
Für die Zukunftsprojekte bERLinPro und BESSY VSR arbeiten Teams daran, Kavitäten aus supraleitendem Niob zu entwickeln. Kavitäten sind Hohlraumresonatoren. Wenn die beschleunigten Elektronen durch sie hindurch laufen, sorgen sie dafür, dass die Elektronenpakete die Energie wieder aufnehmen können, die sie zuvor als Röntgenlicht abgegeben haben. Mit supraleitenden Niob-Kavitäten lässt sich ein Strahl extrem großer Stabilität und Qualität erzeugen. Hier leistet das HZB Pionierarbeit: Die Physiker entwickeln die Kavitäten im Hinblick auf hohe Ströme weiter und finden heraus, wie sich unerwünschte Schwingungen effizient unterdrücken lassen.
Am HZB werden nicht nur neue Undulator-Typen erforscht, sie werden hier auch gebaut.
Undulatoren
Das HZB ist eine der wenigen Einrichtungen, die von Anfang an Undulatoren entwickelt, gebaut und gleichzeitig betrieben haben. In Undulatoren durchlaufen die Elektronen komplexe Magnetstrukturen und erzeugen Synchrotronstrahlung von großer Brillanz.
Mit neuen Undulatoren ist es möglich, Nutzer noch besser mit Röntgenlicht der gewünschten Eigenschaften zu versorgen. Im Rahmen des Helmholtz-Projekts „ATHENA“ entwickelt das HZB APPLE-Undulatoren in Kombination mit der In-Vakuum-Technologie. Sie sollen sowohl den RIXS-Messplatz als auch die Röntgenmikroskopie an BESSY II mit variabel polarisiertem Licht versorgen.
Im nächsten Schritt ist ein kryogener In-Vakuum-APPLE-Undulator geplant, der bei einem Laser-Plasma-Beschleuniger am DESY zum Einsatz kommen wird.
Ein Abbild des Strahlungsquellpunktes an einem Dipolmagneten im Twin Orbit Modus. Die erste „Nutzertestwoche” im Februar 2018 verlief erfolgreich. Copyright: HZB
Neuer Betriebsmodus
Die Beschleunigerphysiker des HZB entwickeln derzeit einen neuen Betriebsmodus für Synchrotrons: Sie lassen die Elektronenpakete im Speicherring auf zwei unterschiedlichen Bahnen kreisen. In der Fachwelt ist dies als »Transverse Resonant Island Buckets« oder TRIBs bekannt.
Die HZB-Teams haben es geschafft, einen stabilen Modus mit zwei unterschiedlichen Bahnen zu erzeugen. Erste Experimente liefen erfolgreich an der Metrology Light Source, an BESSY II und an MAX IV in Lund, Schweden. Der neue Betriebsmodus bedeutet, dass es praktisch zwei Synchrotronstrahlungsquellen in einem Ring gibt, sodass man zeitgleich Anforderungen unterschiedlicher Nutzergruppen bedienen kann. Diese Experimente dienen auch dazu herauszufinden, ob es sinnvoll ist, eine künftige Lichtquelle BESSY III gezielt mit der Option auszustatten, solche TRIBs-Modi zu nutzen.
Magnetstrecke für das Beschleunigerprojekt bERLinPro. Foto: Michael Setzpfandt
Linearbeschleuniger mit Energierückgewinnung und der Weg zu BESSY III
Mit dem Zukunftsprojekt bERLinPro bauen HZB-Expertinnen und -Experten einen Prototypen für einen Beschleuniger mit Energierückgewinnung auf. Sie erproben damit ein neues Beschleunigerkonzept für Photonenquellen. Benötigt werden hierfür neuartige supraleitende Hochfrequenz-Kavitäten, um Energie und Form der Elektronenpakete perfekt zu kontrollieren. Eine weitere Schlüsselkomponente ist die Elektronenquelle (Gun), mit der ein hochbrillanter Strahl erzeugt wird.
Aus dem Zusammenspiel von Kathode, Laserpuls und elektrischem Feld in der Kavität wurden in einem Testsystem bereits Elektronen erzeugt und beschleunigt. Diese Forschungsarbeit erfolgt zusammen mit vielen Partnern aus dem In- und Ausland. Mit bERLinPro gewinnen wir systematisch Erfahrungen für die Entwicklung von Beschleunigerkomponenten. Dieses Wissen brauchen wir, um neue Ideen für ein Nachfolgegerät zu erarbeiten und zu testen – das neue BESSY III.