Forscher experimentieren an ESRF-Messplätzen

Nutzer der ESRF

Die ESRF ist in erster Linie eine Dienstleistungseinrichtung für Forscher aus den Mitgliedsländern. Insgesamt kommen fast 6000 Besucher jährlich zur Durchführung von Experimenten nach Grenoble, darunter auch Wissenschaftler aus den USA, Japan und anderen Ländern außerhalb Europas, die mit europäischen Nutzern der ESRF zusammenarbeiten.

Für Wissenschaftler, die die Ergebnisse ihrer Arbeiten publizieren, ist die Nutzung der ESRF kostenlos. Zweimal pro Jahr können sie einen Antrag auf Strahlzeit einreichen, der zunächst formell vor allem auf Sicherheitsaspekte hin überprüft wird. Anschließend beurteilt ein Wissenschaftler der ESRF die Machbarkeit des Vorschlags. Die Entscheidung über die Zuweisung von Strahlzeit trifft schließlich eines von elf Bewertungskomitees, in denen externe Wissenschaftler alle Anträge begutachten. Etwa 45 Prozent der Anträge werden genehmigt, wobei diese Quote je nach beamline stark variiert. Seit Beginn des Betriebs vor mehr als zehn Jahren wollen Jahr für Jahr mehr Forscher die ESRF nutzen als Strahlzeit zur Verfügung steht.

Den 150 Wissenschaftlern der ESRF steht darüber hinaus ein kleiner Teil der Strahlzeit für die Verbesserung der beamlines und für eigene Forschungsarbeiten zur Verfügung.

Wissenschaftliche Schwerpunkte der ESRF 

Edelstahlbehälter mit Aluminiumfolien-Isolierung. Durch ein Fenster eines Behälters erkennt man, dass eine Hand eine Probe in den Apparat einführt.
Hochvakuum-Experimentierstation an einer beamline der ESRF
  • Hochauflösende und resonante Streuung: Hochenergetische Röntgenstrahlen geben ihre Energie an Elektronen oder das Kristallgitter einer Probe ab. Die aus der Probe austretenden Elektronen bzw. die Photonen können an den beamlines der ESRF mit geeigneten Instrumenten hoher spektraler Auflösung untersucht werden. Die hohe Brillanz des Röntgenstrahls bei feinstem Strahldurchmesser ist für viele Untersuchungen der Festköperphysik, z.B. von Gläsern und Einkristallen, entscheidend.
  • Materialwissenschaften: Die Stärken der ESRF auf diesem Gebiet sind die Mikrofokussierung des Strahls, die die Auflösung der Kornstruktur von Metallen und Legierungen gestattet, sowie die hohe Photonenenergie. Bei der ESRF stehen den Forschern Probenkammern zur Verfügung, in denen hohe Drücke und mittels Pumplasern zugleich höchste Temperaturen erzeugt werden können.
  • Molekularbiologie: Röntgenstrahlen sind ideale Werkzeuge zur Strukturanalyse, d.h. der dreidimensionalen Abbildung großer Moleküle, vor allem von Proteinen. Fast 40 Prozent der Strahlzeit an der ESRF wird deshalb für die Strukturanalyse von Makromolekülen mittels Röntgendiffraktion verwandt. Ein vollautomatischer Probentransfer und eine umfängliche Infrastruktur für die Datenauswertung und für komplementäre Laboruntersuchungen machen die ESRF zum weltweit produktivsten Forschungszentren auf diesem Gebiet.
  • Weiche Materie: Kolloide, Flüssigkristalle, High-Tech Textilien, aber auch biologisches Gewebe fallen unter diese Kategorie im Mittelpunkt der aktuellen Forschung. Geeignete Instrumente und experimentelle Tricks machen es möglich, z.B. die Struktur von Seidenfäden zu untersuchen, oder Moleküle, die nicht kristallisieren, in einen Flüssigkristall einzubetten, um sie der Röntgendiffraktion zugänglich zu machen.
  • Grenzflächen und Oberflächen: Viele interessante atomare Phänomene finden nur an Oberflächen statt. Hierzu gehören z.B. die chemischen Prozesse in einem Abgaskatalysator, oder der schichtweise Aufbau komplexer Halbleiter für die Mikroelektronik auf der Oberfläche von Einkristallen. Dem industriellen Einsatz neuer Technologien geht immer eine Untersuchung der physikalischen Grundlagen voraus, wobei an den beamlines der ESRF Phänomene an Oberflächen im Nanometer- und Pikosekundenbereich aufgelöst werden können.
  • Röntgenabsorption und magnetische Streuung: Magnetische Materialien spielen in der Computertechnologie eine wichtige Rolle. Mit Röntgenstrahlung kann wie in einem Film untersucht werden, wie ein Material unter dem Einfluss der Umgebung seine magnetischen Eigenschaften verändert. Bei der ESRF stehen den Forschern hierzu extrem hohe Magnetfelder von bis zu 30 Tesla zur Verfügung.
  • Röntgenphotographie: Ein klassisches Röntgenbild z.B. eines Brustkorbs oder einer Zahnreihe ist unscharf und kontrastarm. Die extreme Intensität und Fokussierung der Röntgenstrahlen bei der ESRF öffnen den Weg zu speziellen Techniken, die dreidimensionale Abbildung mit hohem Kontrast und einer Auflösung im Mikrometerbereich vereinen. Die Struktur „weichen“ biologischen Gewebes wird damit einer zerstörungsfreien Untersuchung ebenso zugänglich wie das anderweitig unzugängliche „Innenleben“ von Ölgemälden und Versteinerungen.

Typische Anwendungen der Synchrotronstrahlung

Medizin – Entwicklung neuer Medikamente und Heilmethoden

Umwelt – besseres Verständnis der Chemie und Physik des Klimawandels und unseres Erdinnern

Energie – Entwicklung effizienter Brennstoffzellen und Batterien

Datenverarbeitung – Schnellere und energiesparende Prozessoren und Speicherchips

Ingenieurwissenschaften – Entwicklung neuer, intelligenter und umweltfreundlicher Werkstoffe