Lichtblitz von Synchrotronstrahlung

Die Physik hinter der Synchrotronstrahlung

Werden leichte, geladene Teilchen durch ein Magnetfeld abgelenkt, senden sie tangential zur Bewegungsrichtung elektromagnetische Wellen aus - die Synchrotronstrahlung. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften eignet sich diese hervorragend zum "Durchleuchten" der verschiedensten Materialien.

Heller, weißlicher Lichtblitz vor dunklem Hintergrund.
Synchrotronstrahlung

Als Synchrotronstrahlung bezeichnet man die elektromagnetischen Wellen, die tangential zur Bewegungsrichtung von leichten, geladenen, relativistischen Teilchen (Elektronen oder Positronen) austreten, wenn sie durch ein Magnetfeld abgelenkt werden. Die theoretischen Fundamente für die Synchrotronstrahlung legte der deutsche Physiker Heinrich Hertz im 19. Jahrhundert. Er entdeckte 1888, dass elektrische geladene Teilchen, wenn sie beschleunigt werden, Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung abgeben. Diese Entdeckung sollte Jahrzehnte später den Alltag revolutionieren: Legt man eine hochfrequente elektrische Spannung an eine Sendeantenne an, werden unzählige Elektronen in dem Metall hin- und herbewegt. Die rhythmische Beschleunigung zwingt die Teilchen zur Aussendung von Radiowellen, die zum Beispiel als Träger von Rundfunk- und Fernsehsignalen dienen.

Der gleiche Effekt tritt in Teilchenbeschleunigern auf. Hier laufen die Elektronen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf einer ringförmigen Bahn und werden dabei ebenfalls beschleunigt: Ähnlich wie die Fahrgäste eines Kettenkarussells durch die Kette auf einer Kreisbahn gehalten werden, werden die Teilchen in der Kurve durch Magnetfelder in Richtung Mittelpunkt gelenkt. Als Ergebnis dieser "Radialbeschleunigung" geben die Elektronen im Kreisbogen einen beträchtlichen Teil ihrer Energie ab, indem sie einen intensiven, gebündelten Lichtstrahl aussenden.

Vorausgesagt wurde dieser Effekt 1944 von den sowjetischen Theoretikern Ivanenko und Pomeranchuk. Drei Jahre später entdeckte der US-amerikanische Techniker Floyd Haber an einem Elektronenbeschleuniger seines Arbeitgebers General Electric einen hellen, gebündelten Lichtstrahl. Da es sich bei diesem Beschleuniger um ein so genanntes Synchrotron handelte, wurde das Licht fortan als Synchrotronstrahlung bezeichnet.

Ein asiatischer Forscher beugt sich über eine komplexe technische Apparatur.
Ein Messplatz für Forschung mit Synchrotronstrahlung

Bei Beschleunigeranlagen, die für Teilchenphysikexperimente bestimmt sind, ist das grelle Leuchten ein überaus lästiger Störeffekt, da es die Energie begrenzt, auf die der Beschleuniger die Teilchen maximal bringen kann. Doch bereits in den 1950er Jahren erkannten einige Wissenschaftler, dass Synchrotronstrahlung ganz besondere Eigenschaften aufweist und sich deshalb hervorragend zum „Durchleuchten“ der verschiedensten Materialien eignet.

Strahlung mit ganz besonderen Eigenschaften

Synchrotronstrahlung wird von den Elektronen in einem sehr eng gebündelten Strahl in ihrer momentanen Flugrichtung abgegeben, so dass man sie tangential zur Kreisbahn „abzapfen“ kann. In 50 Meter Entfernung hat sich der Strahl typischerweise nur um wenige mm aufgeweitet, so dass er sich bequem in langen Vakuumrohren zum Experimentaufbau führen lässt.

Im Gegensatz zu Laserlicht ist Synchrotronstrahlung nicht einfarbig, sondern enthält – ähnlich wie Sonnenlicht – ein kontinuierliches elektromagnetisches Spektrum an Wellenlängen, das vom Infraroten bis zur harten Röntgenstrahlung reicht. Mit Monochromatoren – das sind hochpräzise, aus Spiegeln und Kristallen bestehende „Filtereinrichtungen“ – lässt sich die für ein Experiment erforderliche Strahlungswellenlänge gezielt auswählen.

Da die Teilchen in einem Beschleuniger nicht als gleichmäßiger Strom gespeichert sind, sondern zu „Paketen“ gebündelt umlaufen, geben sie die Synchrotronstrahlung gepulst ab, in Blitzen sehr hoher Intensität. So kann die zeitliche Abfolge von mikroskopischen Prozessen wie mit einem unvorstellbar schnellen „Stroboskop“ bis in den Nanosekunden-Bereich beobachtet werden.

Die Grafik zeigt verschiedene Magnetstrukturen, in denen geladene Teilchen Synchrotronstrahlung erzeugen. 1.: Im Ablenkmagneten eines Speicherrings geben die Teilchen tangential zur Flugrichtung Strahlung ab. 2. und 3.: Wiggler und Undulatoren sind periodisch hintereinander geschaltete Abfolgen von magnetischen Nord- und Südpolen, in denen die Teilchen auf Schlingerkurs gebracht werden. Die Strahlung wird hauptsächlich nach vorne in Flugrichtung abgegeben. Beim Wiggler ist sie schwächer, beim Undulator stärker gebündelt. 4.: In den Undulatoren von Freie-Elektronen-Lasern erzeugen die Teilchen extrem eng gebündelte Strahlung mit Lasereigenschaften.
Verschiedene Magnetstrukturen zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung

Die in den Beschleunigern abgegebene Strahlung ist zudem „von Natur aus“ linear oder zirkular polarisiert, das heißt das Licht schwingt nur innerhalb bestimmter Ebenen. Diese Eigenschaft ist für viele Untersuchungen, zum Beispiel an magnetischen Materialien, unentbehrlich, lässt sich bei anderen Strahlungsquellen aber nur schwer erreichen.

Speicherringe bieten auch die Möglichkeit, besondere Magnetstrukturen einzubauen, so genannte Wiggler und Undulatoren. Diese meterlangen Spezialmagnete bestehen aus einer Folge von sich abwechselnden Nord- und Südpolen. Durchlaufen die lichtschnellen Elektronenpakete diesen Magnetparcours, werden sie auf einen Slalomkurs gezwungen, bei dem sich die von ihnen abgegebene Strahlung in einer Richtung überlagert. Dadurch lässt sich die Intensität der abgegebenen Strahlung gegenüber normalen Ablenkmagneten um ein Vielfaches steigern.

Aufgrund dieser Eigenschaften ist die Synchrotronstrahlung das ideale Forschungswerkzeug für eine Vielfalt von Anwendungen, zum Beispiel in den Bereichen Oberflächenphysik, Chemie, Molekularbiologie, Kristallographie, Medizin und Geophysik.

Synchrotronstrahlungsquellen

Will man Synchrotronstrahlung künstlich erzeugen, so greift man heutzutage nicht mehr auf Synchrotrone zurück, sondern nimmt Speicherringe, da bei ihnen die Energie des Teilchenstrahls und somit die Intensität und das Spektrum der Synchrotronstrahlung konstant bleibt. Für die Erzeugung von Synchrotronstrahlung existiert eine ganze Reihe von Anlagen auf der Welt; in Deutschland sind dies ANKA in Karlsruhe, BESSY in Berlin, DELTA in Dortmund, ELSA in Bonn und HASYLAB in Hamburg. Man spricht von Quellen der ersten, zweiten, dritten und vierten Generation, die sich im Wesentlichen durch die Brillanz der ausgesendeten Strahlung unterscheiden.

  • Bei der ersten Generation wurde Synchrotronstrahlung von bestehenden Teilchenbeschleunigern der Teilchenphysik (Synchrotronen) erzeugt und verwendet.
  • In der zweiten Generation werden Synchrotronstrahlungsquellen ausschließlich zur Erzeugung der Strahlung gebaut. Dabei speichert man die beschleunigten Teilchen für mehrere Stunden in Speicherringen und erreicht damit konstante Arbeitsbedingungen. Die Erzeugung der Strahlung erfolgt in speziellen Magnetstrukturen, den Dipolmagneten und Wigglern.
  • Die dritte Generation bilden Beschleuniger mit Undulatoren. Mit diesen Magnetstrukturen ist die Erzeugung brillanterer Strahlung möglich als mit Wigglern.
  • Freie-Elektronen-Laser (FEL) stellen die vierte Generation von Strahlungsquellen dar. Erste Anlagen sind FELICITA am DELTA an der Universität Dortmund und der VUV-FEL am HASYLAB bei DESY in Hamburg.

Es gibt auch natürliche Quellen für Synchrotronstrahlung: In der Astronomie tritt Synchrotronstrahlung immer dann auf, wenn sich ein heißes Plasma in einem Magnetfeld befindet. Beispiele für kosmische Synchrotronstrahlungsquellen sind Pulsare, Radiogalaxien und Quasare. Eine natürliche Quelle für Synchrotronstrahlung im All ist zum Beispiel der Jupiter, der laufend seine Monde mit dieser Art der Strahlung beschießt.