Zahlen und Fakten zu HASYLAB

Was als lästiger Störeffekt begann, entwickelte sich rasch zum Forscherhit: Schon in den 1960er Jahren begann man bei DESY, die an Teilchenbeschleunigern erzeugte Synchrotronstrahlung für Forschungszwecke zu nutzen.

Ein heller Lichtpunkt
Synchrotronstrahlung

Der Federstrich unter die Gründungsurkunde machte es offiziell: Am 18. Dezember 1959 wurde DESY aus der Taufe gehoben – ein Zentrum von internationalem Rang, das Beschleuniger für die Teilchenphysik entwickelte und betrieb. Was damals kaum jemand ahnte: DESY sollte im Laufe der Zeit einen zweiten und enorm erfolgreichen Forschungsschwerpunkt erhalten – die Nutzung der sogenannten Synchrotronstrahlung.

Ein gleißend heller Lichtstrahl

Die Geschichte beginnt bereits vor Gründung des DESY. 1947 entdeckte der US-amerikanische Techniker Floyd Haber an einem Elektronenbeschleuniger seines Arbeitgebers General Electric einen gleißend hellen Lichtstrahl. Da es sich bei diesem Beschleuniger um ein so genanntes Synchrotron handelte, wurde das Licht fortan als Synchrotronstrahlung bezeichnet. Als die DESY-Teilchenphysiker in den frühen 1960er Jahren den ersten Beschleunigerring bauten, war ihnen das intensive Leuchten ein Dorn im Auge. Denn Synchrotronstrahlung begrenzt die Maximalenergie eines Beschleunigers – und damit auch die Möglichkeiten, die Welt der kleinsten Teilchen bis ins letzte Detail zu erkunden.

Aber lässt sich dieser vermeintliche „Störeffekt“ nicht auch auf irgendeine Weise nutzen? Über diese Frage dachte man bei DESY bereits während der Bauphase nach. Treibende Kraft war der damalige Forschungsdirektor Peter Stähelin, der schon früh erkannte, dass die Nutzung der Synchrotronstrahlung vielfältige Experimentiermöglichkeiten bietet. Also beauftragte er im Februar 1962 den jungen Nachwuchsphysiker Ruprecht Haensel damit, sich in seiner Doktorarbeit den Perspektiven der neuen Lichtquelle zu widmen. Damit begann eine echte Pionierarbeit, denn es gab damals auf der Welt noch kein Labor, das systematisch mit Synchrotronstrahlung gearbeitet hatte.

Vom Bunker zum Großlabor

Historisches Foto einer großen Baustelle mit zahlreichen Kränen
1971: Der Speicherring DORIS im Bau

Bei Vorträgen und internationalen Fachkongressen stellten Haensel und seine Kollegen die Möglichkeiten der neuen Lichtquelle vor. Die ersten Nutzer von außerhalb stammten von der Universität München, bald darauf folgte ein Team der Berliner Zweigstelle der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Bald wurde dem zu eng gewordenen „Haensel-Bunker“ ein zweites Geschoss aufgesetzt, in das ein zusätzliches Strahlrohr geführt wurde. In den frühen 1970er Jahren entstand am Beschleuniger ein zweiter Messbunker, auf Initiative des Heidelberger Biologen Ken Holmes, Mitbegründer des EMBL (Europäisches Laboratorium für Molekularbiologie). Die Biologen waren die ersten, die den kurzwelligen Röntgenanteil der Synchrotronstrahlung nutzten. Sie untersuchten damit die Vorgänge bei Muskelkontraktionen in Insektenbeinen. Ihre Erfolge führten dazu, dass EMBL schon 1975 eine eigene Außenstation auf dem DESY-Gelände gründete.

Im Jahr 1974 ging DORIS in Betrieb – ein so genannter Speicherring mit einem Umfang von knapp 300 Metern. Die Teilchenphysiker errichteten an DORIS zwei Detektoren, die Nutzer der Synchrotronstrahlung bauten ein neues Labor. 1981 war es fertig: das Hamburger Synchrotronstrahlunglabor HASYLAB samt seiner großen Experimentierhalle.

Mehr Leuchtstärke

Foto eines langen Stahlrohrs, an dessen Ende eine technische Apparatur aufgebaut ist.
1980: Erster Strahl in der HASYLAB-Experimentierhalle

In der HASYLAB-Experimentierhalle standen den Forschern Messplätze für die verschiedensten Untersuchungen zur Verfügung. Zu der EMBL-Außenstation kamen noch Arbeitsgruppen der Max-Planck-Gesellschaft hinzu, die ebenfalls das intensive Röntgenlicht für strukturbiologische Untersuchungen nutzten. 1984 wurden im HASYLAB zwei technische Innovationen eingeführt, ohne die heutzutage viele Experimente nicht möglich wären: „Wiggler“ und „Undulatoren“. Diese Spezialmagnete erzeugen besonders leuchtstarkes Synchrotronlicht. Daher wurden möglichst viele von ihnen in den DORIS-Ring eingebaut.1991 war der Umbau von DORIS vollendet. Die wachsende Schar der HASYLAB-Nutzer konnte nun an weiteren, überaus leistungsfähigen Messstationen experimentieren. 1993 wurde zudem das Messprogramm der Teilchenphysiker an DORIS beendet, seither steht der Ring ausschließlich den Nutzern der Synchrotronstrahlung zur Verfügung.

Licht der Zukunft

Zwei Jahrzehnte lang hatte DORIS zu den fünf stärksten Quellen der Welt gezählt, war die hellste Röntgenlampe Europas gewesen. 1994 ging dieser Rekord nach Frankreich, als die Europäische Quelle für Synchrotronstrahlung (ESRF) in Grenoble offiziell eingeweiht wurde, deren Gründungsdirektor von 1985 bis 1992 Ruprecht Haensel war.

Bei HASYLAB plante man unterdessen die Zukunft. Ein neues Konzept gewann dank diverser technischer Durchbrüche zunehmend realistische Konturen: Freie-Elektronen-Laser, die extrem intensives Licht mit Lasereigenschaften im Röntgenbereich liefern und das mit einer Zeitauflösung von Femtosekunden. Eine solche Lichtquelle würde selbst die modernsten Röntgenquellen um ein Vielfaches übertreffen und Experimente ermöglichen, von denen Naturwissenschaftler bisher nur träumen, beispielsweise chemische Reaktionen und biologische Prozesse im atomaren Detail zu „filmen“. Heute sind diese Visionen Wirklichkeit geworden.

Zahlen und Fakten zu HASYLAB

Das Hamburger Synchrotronstrahlungslabor HASYLAB auf einen Blick:

Derzeitige Strahlungsquellen

Schemazeichnung, auf der ein ovaler Teilchenbeschleuniger zu sehen ist, von dem tangential verschiedene Rohre mit technischen Komponenten wegführen.
Der Speicherring DORIS
  • DORIS III
  • PETRA II
  • FLASH (früher VUV-FEL)

Zukünftige Strahlungsquellen

  • PETRA III

Steckbrief DORIS

DORIS III (ursprünglich für Doppel-Ring-Speicher)

Ringbeschleuniger für Elektronen / Positronen

  • Länge 289 Meter
  • max. Strahlenergie 4,5 GeV
  • 25 Strahlführungen von Ablenkmagneten, 2 eV - 200 keV
  • 11 Strahlführungen von Wigglern/Undulatoren, 20 eV - 200 keV
  • 36 Messplätze mit 80 im Wechsel betriebenen Instrumenten

 

Steckbrief PETRA

PETRA II (ursprünglich für Positron-Elektron-Tandem-Ring-Anlage)

Ringbeschleuniger für Elektronen / Positronen

  • Länge: 2304 m
  • max. Strahlenergie 12 GeV
  • 2 Undulator-Strahlführungen 15 keV - 500 keV
  • Testmessplätze für harte Röntgenstrahlung

PETRA III

ab Mitte 2007 Ausbau des PETRA-Beschleunigers zu brillanter Röntgenstrahlungsquelle PETRA III

  • ab 2009 Nutzerbetrieb
  • ca. 15 Messplätze

Steckbrief FLASH (früher VUV-FEL)

Freie-Elektronen-Laser mit supraleitendem Linearbeschleuniger

  • Gesamtlänge: 260 m
  • erzeugt extrem brillante Strahlung im Bereich des weichen Röntgenlichts (bis 6 nm) nach dem SASE-Prinzip
  • Länge der Lichtpulse: unter 100 Femtosekunden (fs)
  • 5 Messplätze