Landschaft der Forschungsinfrastrukturen. Brillante Photonenquelle BESSY II

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1 Landschaft der Forschungsinfrastrukturen Brillante Photonenquelle BESSY II

2 Brillante Photonenquelle BESSY II Mit der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II steht am Helmholtz-Zentrum Berlin eine über einen breiten Energiebereich brillante Lichtquelle mit dem Schwerpunkt auf weicher Röntgenstrahlung zur Verfügung. Damit bietet BESSY II die experimentelle Infrastruktur für eine fachlich breit aufgestellte Forschungsgemeinde im Bereich der kondensierten Materie der Erforschung fester und flüssiger Stoffe. Mit dem Synchrotronlicht lassen sich Strukturen und Vorgänge in den verschiedensten Materialien aufklären, insbesondere in neuen, effizienten Materialien für die Energiewandlung und Informationstechnologie. Die Synchrotronlichtquelle BESSY II wird vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) betrieben. Damit zählt BESSY II zu den Großgeräten der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren. Die Finanzierung erfolgt durch den Bund zu 90 Prozent und das Land Berlin zu 10 Prozent. Mit seinem Standort in Berlin-Adlershof ist BESSY II in eine Umgebung modernster Forschungs- und Technologieeinrichtungen eingebettet. BESSY II stellt brillante Photonenstrahlen über einen breiten Energiebereich von mehr als acht Größenordnungen, angefangen im Terahertz- oder Submillimeterbereich bis hin zur Röntgenstrahlung bei 15 Kiloelektronenvolt für Forschungszwecke zur Verfügung. Im Spektralbereich des extremen UV-Lichts, das im elektromagnetischen Spektrum den Übergang zur Röntgenstrahlung markiert, stellt BESSY II europaweit mehr als 25 Prozent der Messplätze bereit. Die Röntgenstrahlungsquellen ELETTRA in Triest, die Swiss Light Source (SLS) in der Schweiz und Soleil bei Paris sind qualitativ mit BESSY II vergleichbar. Auf nationaler Ebene bietet BESSY II einzigartige Voraussetzungen und ist komplementär zur Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III in Hamburg, die brillante Strahlung im harten Röntgenbereich von rund 2 bis 200 Kiloelektronenvolt liefern kann. Erzeugung der Synchrotronstrahlung Um die Photonen also Lichtteilchen zu erzeugen, werden Elektronen zunächst über eine kurze Strecke in einem linearen Vorbeschleuniger und anschließend in einem Synchrotron mit einem Umfang von 96 Metern Hochfrequenz-Resonator (HOM Kavität) LINAC Dipol-Magnete im Synchrotron Beispiel Beamline Probenherstellung und UHV-Transfer Synchrotron Experimentierstation Strahlrohr- Spiegelkammern EMIL Experiment Experimentierhalle für die Beamlines Speicherring Undulator Es gibt ca. 50 Beamlines bei BESSY II Magnetlinsen Dipol (abbiegen) Quadrupol (fokussieren) Sextupol (korrigieren) FemtoSlicing, bestehend aus: Eliptischer Undulator UE-56 (APPLE) Linearer Undulator U-139 Um die Photonenstrahlen zu erzeugen, werden Elektronen von einem linearen Beschleuniger (LINAC) in ein Synchrotron (Umfang 96 Meter) eingespeist. Dort werden sie auf eine Energie von 1,7 Gigaelektronenvolt beschleunigt und anschließend in einen Speicherring (Umfang 240 Meter) weitergeleitet. Hier werden die Elektronen dann durch Undulatoren von ihrer Kreisbahn ausgelenkt und dazu angeregt, Lichtpulse auszusenden. Über Strahlrohre laufen diese Pulse dann zu den 47 Experimentierplätzen. (Bild: Britta von Heintze/Welt der Physik)

3 auf eine Energie von maximal 1,7 Gigaelektronenvolt beschleunigt. Danach werden sie in einen Speicherring von 240 Meter Umfang eingespeist, in dem sie gebündelt in bis zu 400 Paketen bei nahezu Lichtgeschwindigkeit kreisen. Die im Speicherring kreisenden Elektronenpakete werden mittels magnetischer Elemente wie sogenannten Undulatoren auf eine sinusartige Bahn gelenkt und senden dadurch Photonenpulse im gewünschten Energiebereich aus. Mit BESSY II lassen sich derzeit Lichtpulse in zwei verschiedenen Modi erzeugen, die sich im zeitlichen Abstand der Elektronenpakete unterscheiden. Je nach Modus eignet sich BESSY II für statische oder zeitaufgelöste Experimente. Das Synchrotronlicht erlaubt dabei eine räumliche Auf lösung bis hinab in den Nanometerbereich. Mit den kurzen Lichtpulsen wiederum können Forscher zum Beispiel Änderungen der Magnetisierung oder chemische Reaktionen auf verschiedenen Zeitskalen untersuchen. Vielfältige Anwendungen für eine breite Nutzergemeinde In Deutschland bildet BESSY II die Hauptquelle für Synchrotronstrahlung mit Energien unterhalb von 2 Kiloelektronenvolt (der weichen Röntgenstrahlung). Am Speicherring stehen den Wissenschaftlern 47 Plätze für Experimente in den unterschiedlichsten Fach bereichen zur Verfügung. Neben direkter Abbildung von Objekten und Streuung der Strahlung an Materie lassen sich Techniken wie die Absorption bestimmter Bereiche des elektromagnetischen Spektrums oder das Anregen von Elektronen- oder Lichtemission für die Analyse von kondensierter Materie nutzen. Mit seiner großen Energiebandbreite und der Vielzahl an Untersuchungsmöglichkeiten bedient BESSY II die Bedürfnisse einer breiten Nutzergemeinde, vor allem in den Bereichen Energie, innovative Materialien und Lebenswissenschaften. Und selbst Kunsthistoriker verwenden die von BESSY II angebotenen Analysetechniken, um Gegenstände wie zum Beispiel die Himmel sscheibe von Nebra zu untersuchen. Als Beispiel aus der Medizin sei die strukturbasierte Suche nach Wirkstoffen genannt. An BESSY II lassen sich Protein- und Enzymstrukturen und deren Funktionen analysieren, die für die Entstehung bestimmter Krankheiten verantwortlich sind. Darauf aufbauend können die Forscher Methoden entwickeln, um krankheitsauslösende Mechanismen zu hemmen und neue pharmakologische Wirkstoffe zu entwickeln. BESSY II liefert Photonenstrahlen über einen Energiebereich von mehr als acht Größenordnungen. Ebenso breit gefächert sind die Anwendungsmöglichkeiten zur Untersuchung von kondensierter Materie. Sie reichen von der Erforschung neuartiger, effizienter Energie- und IT-Materialien über die Chemie, Biologie und Medizin bis zur Archäologie. Schwerpunkte sind dabei die Energieforschung und die Lebenswissenschaften. (Bild: HZB)

4 In der Entwicklung neuartiger Speichermedien nutzen die Forscher die Lichtpulse weicher Röntgenstrahlung von BESSY II, um Prozesse in dünnschichtigen Nanomaterialien zu analysieren. In derartigen magnetischen Schichtsystemen können sich magnetische Wirbel bilden, deren Durchmesser maximal 100 Nanometer beträgt. Diese sogenannten Skyrmionen lassen sich gezielt erzeugen und, ähnlich wie ein Kreisel, anschubsen. Mit der Zeit bewegen sich diese Nanowirbel wieder in ihre Ruheposition zurück. Diesen Prozess konnten Forscher durch holografische Aufnahmetechniken mit intensiven Röntgenpulsen an BESSY II zeitlich verfolgen. Solche Skyrmionen könnten sich in Zukunft als Informationsspeicher in Nanomateria lien eignen, die wesentlich weniger Speicherplatz einnehmen würden als bisherige Technologien. Auch bei der Entwicklung effizienter und materialsparender Solarzellen spielt die Nanostruktur von Materialien eine wichtige Rolle. Mittels der Röntgenabsorptionsspektroskopie lassen sich hauchdünne Schichten etwa auf Materialfehler hin untersuchen. Und mit ultrakurzen Synchrotronlichtpulsen können Forscher die Dynamik sehr schneller Prozesse im Femto sekundenbereich (eine Femtosekunde entspricht dem Milliardstel einer millionstel Sekunde) an den Grenzflächen in neuartigen Dünnschichten aus Metalloxiden zeitlich auflösen. Das sind aussichts reiche Materialien für eine energieeffiziente Infor mationstechnologie. Hierzu werden außerdem neu artige Messtechnologien entwickelt. Speziell zur Erforschung von Energiematerialien ist zudem am HZB gemeinsam mit der Max-Planck-Gesellschaft ein weltweit einzigartiges Labor, EMIL (Energy Materials In-situ Laboratory Berlin) in Betrieb genommen worden. Dort soll unter anderem die an BESSY II erzeugte Röntgenstrahlung zur Analyse von Solarzellen verwendet werden, um den schichtweisen Wachstumsprozess von Solarzellen zeitlich zu verfolgen. Nutzergemeinde und Förderung durch das BMBF Im Jahr 2014 konnte BESSY II ca Nutzer verzeichnen, die insgesamt 455 Forschergruppen aus 30 Ländern angehören. Darunter sind auch institutionelle Einrichtungen wie zum Beispiel die Max-Planck-Gesellschaft oder die Bundesanstalt für Materialforschung. Die Messzeiten an BESSY II werden nach einem auf der wissenschaftlichen Exzellenz der Forschungsanträge basierenden externen Begutachtungsverfahren vergeben. Eine spezielle Vereinbarung besteht mit russischen Partnern, für die ein gewisses Kontingent an Forschungszeit vorgemerkt ist. Damit auch Universitäten Zugang zur Instrument- und Methodenentwicklung an Forschungsinfrastrukturen wie BESSY II erhalten, hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) ein einzigartiges Förderinstrument entwickelt: Im Rahmen der sogenannten Verbundforschung können Universitäten ausgewählte Instrumente und Methoden an BESSY II weiterentwickeln bzw. neue Messplätze aufbauen. Auf diese Weise wird die wissenschaftliche Leistungsfähigkeit Blick auf den Speicherring der Synchrotronlichtquelle BESSY II in Berlin- Adlershof. Das neu angebaute Forschungslabor EMIL (Energy Materials In-situ Laboratory Berlin, Gebäude links im Bild) wurde 2016 eingeweiht. Hier werden neuartige Materialien untersucht, die Energie umwandeln oder speichern können. (Bild: HZB/Volker Mai) In der Mitte einer dünnen magnetischen Schicht, dargestellt durch Pfeile, befindet sich ein Wirbel. Ein kurzer Strompuls durch einen Nanodraht lenkt den magnetischen Wirbel (Skyrmion), aus seiner Ruhelage aus. Auf einer Spiralbahn bewegt es sich zurück in seine Ausgangsposition. Dies lässt sich mit Hilfe der Röntgenholografie beobachten. Die spiralförmige Bahn und das Skyrmion sind schematisch oberhalb der magnetischen Struktur dargestellt. (Bild: Johannes Gutenberg-Universität Mainz)

5 LANDSCHAFT DER FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN: BESSY II, STAND AUGUST 2016 der Synchrotronlichtquelle gesteigert und den Universitäten bieten sich gleichzeitig Forschungsmöglichkeiten, die über die eigenen Labore hinausgehen. Im Dreijahres-Rhythmus finden auf nationaler Ebene Ausschreibungen für neue Förderkampagnen der Verbundforschung statt; auf internationaler Ebene ist die Zusammenarbeit bi-national gestaltet. Das BMBF förderte in den Jahren 2010 bis 2016 im Rahmen der Verbundforschung Projekte an BESSY II mit einem Budget von 24,8Millionen Euro. An dem Verbundforschungsprojekt HOPE (Hochbrilliante photoinduzierte Hochfrequenz-Elektronenquellen) sind beispielsweise sieben nationale Forschungs einrichtungen und Universitäten sowie das CERN beteiligt. Forschen für innovative Beschleuniger technologie Neben der Erforschung kondensierter Materie mittels weicher Röntgenstrahlung und Photonen niedrigerer Energien spielt BESSY II eine Vorreiterrolle bei der Entwicklung neuartiger Beschleunigertechnologien, zum Beispiel in den Projekten berlinpro und BESSY VSR. Mit berlinpro wird der Prototyp eines Linear beschleunigers weiterentwickelt, der die Energie der beschleunigten Elektronen teilweise zurückgewinnen kann. Diese Beschleunigertechnologie wird auch als Energy Recovery Linac (ERL, Linearbeschleuniger mit Energierückgewinnung) bezeichnet. Sie soll energie effizient arbeiten und die Vorteile von Speicherringen und Freie-Elektronen-Lasern vereinen: viele Photonen bei gleichzeitig sehr kurzen, brillanten Lichtpulsen. Bei BESSY VSR (Variabler Pulslängen-Speicherring) wird eine weltweit einmalige Technologie entwickelt, um an BESSY II alle Strahlrohre wahlweise mit kurzen oder langen Lichtpulsen zu versorgen. Dadurch sollen Nutzer an BESSY II künftig die Pulslänge für ihr Ex periment jederzeit frei auswählen können, was bisher nicht möglich ist. Damit ermöglicht BESSY VSR neue Experimente, zum Beispiel in der Katalyseforschung, zur Erzeugung solarer Brennstoffe, zur Untersuchung von Quantenmaterialien sowie zu magnetischen und optischen Schaltvorgängen. BESSY II Forschungsinfrastruktur der Forschungsinfrastruktur der naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung Sirtuine sind Proteine, die im menschlichen Körper unter anderem bei Stress- und in Alterungsprozessen ein Rolle spielen. Am BESSY II konnten Forscher die Struktur eines solchen Proteins (grau) analysieren und den Mechanismus entschlüsseln, wie sich mit einem Hemmer ein Sirtuin deaktivieren lässt. Das langkettige Reaktionsprodukt ist in rot und gelb dargestellt, der Hemmer in hellblau. (Bild: C. Steegborn)

6 Steckbrief BESSY II Typ: Technologie: Standort: Betreiber: Baukosten: Inbetriebnahme: Umfang des Synchrotrons: Umfang des Speicherrings: Strahlenergie: Energie der Synchrotronstrahlung: Wellenlängen der Synchrotronstrahlung: Strahlstrom: Anzahl der umlaufenden Teilchenpakete: Dauer der Lichtpulse: Synchrotronstrahlungsquelle Speicherring der dritten Generation mit Undulatoren und Wigglern Berlin Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH 102 Millionen Euro 1998 (Start von BESSY II) 96 Meter 240 Meter 1,7 Gigaelektronenvolt 1 Milli- bis 15 Kiloelektronenvolt 1 Millimeter bis 0,1 Nanometer 300 Milliampere 360 bis Pikosekunden Messplätze: 47

7 Impressum Dieser Artikel ist Teil der Webseite Landschaft der Forschungsinfrastrukturen ( die der Projektträger DESY im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gestaltet und umsetzt. Auf der Webseite werden Großforschungsanlagen der naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung aus aller Welt vorgestellt, an denen sich Deutschland derzeit wissenschaftlich und finanziell beteiligt vom Radioteleskop ALMA bis zum Röntgenlaser European XFEL. Herausgeber: Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY Abteilung Projektträger DESY Notkestraße Hamburg Stand: August 2016 Redaktion: Dr. Claudia Schneider Design und Layout: Britta von Heintze Bildnachweis (Titelbild, Weltkarte): HZB/Volker Mai, Britta von Heintze/Welt der Physik