Recycelte Teilchenbeschleuniger – eine kurze Geschichte der Synchrotronstrahler

Während eines dreiwöchigen Schülerpraktikums am Deutschen Elektron-Synchrotron (DESY) in Hamburg hatte Stefan die Gelegenheit, am Synchrotonstrahler PETRA III zu arbeiten. Die Physik von Teilchenbeschleunigern hat ihn so fasziniert, dass er mehrmals zum Experimentieren zu DESY zurückgekehrt ist. In seinem Artikel geht es um Synchrotronstrahler, und wie Physiker alte Teilchenbeschleuniger als neue Anlagen weiterverwenden.

Von einem Teilchenbeschleuniger wie beispielsweise dem Large Hardron Collider (LHC) am Forschungszentrum CERN hat wahrscheinlich jeder schon einmal gehört. Wer sich etwas intensiver mit der Materie beschäftig hat, ist vielleicht auch schon einmal über die Bezeichnung Synchrotron (vom altgriechischen „synchron“ für „gleichzeitig“) für eine spezielle Art von Teilchenbeschleuniger gestolpert. Aber was ist ein Synchrotron genau, und was hat es damit zu tun, einen Laser zu konstruieren, der eine kürzere Wellenlänge und höheren Brillanz als jeder andere Laser hat?

Aufbau des DORIS-Beschleunigers bei DESY

Ein Synchrotron ist ein geschlossener und grob kreisförmiger Teilchenbeschleuniger, in dessen Innerem geladene Elementarteilchen oder Ionen mithilfe elektrischer Felder beschleunigt und durch Mangetfelder um die Kurve gelenkt werden. Ein Synchrotron hat eine gerade Anzahl von teilkreisförmigen und geraden Abschnitten: In den teilkreisförmigen Bahnabschnitten wirken die Felder von Ablenkmagneten, um die Flugbahn des Teilchens zu krümmen und so für eine geschlossene Bahn zu sorgen. In den geraden Bahnabschnitten werden die Teilchen beschleunigt.

Da beim Beschleunigen Energie und Geschwindigkeit der Teilchen wachsen, müssen die Felder laufend daran angepasst werden. Da sich die Teilchengeschwindigkeit allerdings, ist sie einmal nahe der Lichtgeschwindigkeit, kaum noch ändert, muss dies nicht ständig passieren. Um noch weniger stark nachregeln zu müssen, werden die Teilchen außerdem in sogenannten Vorbeschleunigern auf eine gewisse Energie gebracht, bevor sie in ein Synchrotron eingespeist werden.

Genau aus diesem Grund waren beispielsweise dem jüngsten Synchrotron bei DESY namens HERA (Hadron-Elektron-Ring-Anlage), mehrere kleinere Teilchenbeschleuniger vorgeschaltet. Dabei war jeder der vorgeschalteten Ringe einst selbst ein eigenständiger Teilchenbeschleuniger, an dem Forscher Messungen durchgeführt haben: Als erstes wurde DESY konstruiert, der auch der Forschungseinrichtung selbst ihren Namen gab. Danach folgten DORIS (Doppel-Ring-Speicher), PETRA (Positron-Elektron-Tandem-Ring-Anlage) und schließlich HERA. Für neue Synchrotrons wurden jeweils ältere Anlagen als Vorbeschleuniger herangezogen.

Überblück über verschiedene Beschleuniger bei DESY

Doch weil immer größere Teilchenbeschleuniger auch immer größere Kosten mit sich bringen, kann es nur wenige davon auf der Welt geben. Für den LHC fiel daher die Entscheidung der Gemeinschaft der Teilchenphysiker au das Forschungszentrum CERN in der Schweiz. Mit der recht zeitnahen Inbetriebnahme des LHC am 10. September 2008 hätte HERA als Teilchenbeschleuniger zudem an Bedeutung verloren. Nutzlos waren die aufwendig konstruierten Teilchenbeschleuniger bei DESY natürlich trotzdem nicht geworden. Denn nachdem HERA außer Betrieb genommen wurde, war PETRA (bis dahin in der zweiten Rolle als Vorbeschleuniger für HERA) zu einem Synchrotronstrahler mit dem Namen PETRA III umgebaut.

Dabei macht man sich folgendes Prinzip zu nutze: Wenn sich ein geladenes Teilchen auf einer gekrümmten Bahn bewegt, sendet es Strahlung aus, die man in Anlehnung an die Art des Beschleunigers auch Synchrotronstrahlung nennt. Anschaulich kann man den Effekt so erklären: Wir stellen uns vor, dass ein bis zum Rand gefüllter Kaffeebecher in einem Auto steht. Wenn das Auto mit einer konstanten Geschwindigkeit geradeaus fährt, befindet sich dich Oberfläche des Kaffees in Ruhe. Da sich die Geschwindigkeit nicht ändert, muss die Beschleunigung (also die Geschwindigkeitsänderung) gleich Null sein. Somit ist auch die resultierende Kraft, die auf den Kaffeebecher wirkt, gleich Null. Fährt das Auto jetzt mit gleichbleibender Geschwindigkeit in eine Kurve, wird der Kaffeebecher einen Teil seines Inhalts einbüßen, denn der Kaffee wird mit gleicher Geschwindigkeit geradeaus fliegen, während der Becher und der restliche Inhalt zusammen mit dem Auto die Richtung in der Kurve wechseln. So ähnlich kann man sich die Umstände vorstellen, unter denen Synchrotronstrahlung entsteht.

Strahlführung durch die Vorbeschleuniger

Wenn sich das Teilchen auf einer Kreisbahn befindet, liegt der sogenannte Geschwindigkeitsvektor, der Richtung und Betrag der Geschwindigkeit angibt, zu jedem Zeitpunkt tangential am Kreis. Abhängig von der Geschwindigkeit und der kinetischen Energie des Teilchens wird ein Teil seiner Energie in Form von Strahlung abgegeben und fliegt wie beim Kaffee-Auto-Model in Richtung des Geschwindigkeitsvektors weiter. In der Beschleunigerphysik ist dies ein unerwünschter Effekt, da das Teilchen so Energie verliert. Allerdings ergibt sich, wenn man Synchrotronstrahlung gezielt erzeugt, ein völlig neuer Forschungszweig!

Die entstehende elektromagnetische Strahlung befindet sich nämlich im Röntgenbereich, hat also eine Wellenlänge von 250–255 Pikometern (ein Pikometer sind 10–12 Meter). Je kürzer die Wellenlänge, desto höher ist die Energie des Lichts. Zum Vergleich befindet sich das Licht, das das menschliche Auge wahrnehmen kann, etwa im Bereich von 750–380 Nanometern (10–9 Meter). Darüber hinaus kann auf diese Art erzeugte Strahlung eine sehr hohe Brillanz haben. Die Brillanz gibt die Zahl der Lichtquanten (Photonen) in einem gewissen Wellenlängenbereich der Strahlung an.

Die Synchrotonstrahlung ist also extrem hochenergetisch. Ihre Anwendungsbereiche ähneln in gewisser Weise denen eines herkömmlichen Röntgenapparats. Man verwendet die Strahlung, um Proben zu durchleuchten oder um Experimente zur Wechselwirkung von Materie und Licht durchzuführen. Durch die extrem kurze Wellenlänge erreicht man eine atomare Auflösung und kann auf diese Weise Atome tatsächlich „sehen“. Allerdings müssen die meisten Proben nach jedem Beschuss mit der Synchrotronstrahlung ausgewechselt werden, da sie durch die hochenergetische Strahlung zerstört werden. Häufig wird auch ein Strahl aus Gas so eingestellt, dass er sich mit dem Laserstrahl kreuzt. Mit einem solchen Röntgenlaser ist es dann auch möglich, Atome zu ionisieren, sprich einzelne Elektronen aus ihrer Bahn um das Atom heraus zu schießen.

Eine Elektronenbahn gerät in einer Anordnung von sich abwechselnden Magneten auf eine Slalombahn (senkrecht zur Verbindungslinie zwischen denen sich gegenüber stehenden Magnetpolen). An den Umkehrpunkten der Slalombahn verdeutlichen gelbe Keulen die Strahlungsaussendung.
Elektronen im Undulator

Im Laufe der Zeit haben sich verschiedene Generationen von Synchrotronstrahlern entwickelt. Die erste Generation der Forschung mit Synchrotronstrahlung war in gewisser Weise „parasitärer“ Natur: An Synchrotronbeschleunigern, die eigentlich für andere Experimente genutzt wurden, wurde auch Synchrotronstrahlung erzeugt, um ihre Eigenschaften zu untersuchen. In der zweiten Generation wurden, genau wie in der dritten, Synchrotronbeschleuniger als Speicherringe eigens dafür gebaut, Strahlung zu erzeugen. In der dritten Generation wurden die sogenannten Undulatoren perfektioniert. Undulatoren sind spezielle Schaltungen aus Magneten, bei denen die Positionierung der Magnete wechselt, sodass ein passierendes Teilchen eine wellenförmige Bahn beschreibt und so aufgrund der stärker gekrümmten Bahn noch mehr Strahlung abgibt.

Die „Synchrotronstrahler vierter Generation“ sind keine eigentlichen Synchrotrons mehr, denn bei diesen sogenannten Röntgenlasern handelt es sich um gerade Linearbeschleuniger. Hier werden Elektronenpakete zunächst durch eine Reihe von Beschleunigungselementen und dann Undulatoren geschossen. Dabei geben sie Strahlung ab und werden dann ausgelenkt und entworgt. Man nennt diese Maschinen FELs (Freie Elektron Laser): Zu ihnen zählen FLASH (Freier Elektronen Laser Hamburg) bei DESY und auch der fast fertig gebaute Europaische Röntgenlaser XFEL in Hamburg.

PETRA III, der Teilchenbeschleuniger, an dem ich während meines Praktikums experimentiert habe, ist ein Synchrotronstrahler dritter Generation. Als HERA abgeschaltet wurde, wurde PETRA auf etwa 300 Metern des 2,3 Kilometer langen Rings mit 14 Undulatoren ausgestattet, um das Synchrotron auch in Zukunft nutzen zu können. Dazu werden Elektronen im Ring gespeichert und immer wieder im Kreis herum geschickt, um Strahlung zu erzeugen. Man verwendet Elektronen, weil sie aufgrund ihrer geringeren Masse (deutlich leichter als Protonen oder andere Ionen) besonders geeignet sind, starke Synchrotronstrahlung abzugeben. Dank dieses cleveren Umbaus wird PETRA III heute von Wissenschaftlern aus der ganzen Welt und aus verschiedenen Disziplinen genutzt. Sogar Teilchenbeschleuniger können also erfolgreich „recycelt“ werden!