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.

Der Speicherring BESSY II befindet sich in einem flachen, ringförmigen Gebäude. Auf der linken Seite schließt ein eckiges Gebäude an, in dem das neue Forschungslabor EMIL untergebracht ist.
Speicherring von BESSY II und Forschungslabor EMIL

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 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.

Schematische Zeichnung der Synchrotronlichtquelle BESSY II, bei der man von schräg oben ins Innere des ringförmigen Gebäudes blickt. Der Speicherring erscheint wie eine große, kreisrunde Kette aus eckigen Perlen. Er umschließt das kleinere Synchrotron, in dem die Elektronen beschleunigt werden. Vom Speicherring gehen tangential nach außen zahlreiche Linien ab, die zu kastenförmigen Experimentierstationen führen.
Aufbau von BESSY II

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 Auflösung 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 Fachbereichen 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.

In einer Ellipse sind ringsherum die Energiebereiche und zugehörige Forschungsgebiete von BESSY II aufgetragen. Das Spektrum des Synchrotronlichtes reicht von der Terahertz- bis hin zur harten Röntgenstrahlung.
Forschungsmöglichkeiten bei BESSY II

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 Himmelsscheibe 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.

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 Nanomaterialien eignen, die wesentlich weniger Speicherplatz einnehmen würden als bisherige Technologien.

Schematische Ansicht einer liegenden Kreisscheibe, aus der Pfeile  wie Nägel nach oben herausragen. In der Mitte der Kreisscheibe gibt es einen Ring aus Pfeilen, die nicht nach oben, sondern waagerecht im Kreis zeigen. Dieser Ring begrenzt den magnetischen Wirbel. Die Pfeile im Inneren dieses Rings zeigen schräg nach unten. Über der Kreisscheibe schwebt eine Kugel; von hinten nach vorne verläuft eine spiralförmige Linie.
Skyrmionen: Magnetwirbel in dünnen Schichten

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 Femtosekundenbereich (eine Femtosekunde entspricht dem Milliardstel einer millionstel Sekunde) an den Grenzflächen in neuartigen Dünnschichten aus Metalloxiden zeitlich auflösen. Das sind aussichtsreiche Materialien für eine energieeffiziente Informationstechnologie. Hierzu werden außerdem neuartige 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.

Nutzer und Förderung durch das BMBF

Im Jahr 2014 konnte BESSY II ca. 3000 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.

Schematisch dargestellt ist eine längliche Wolke, in der Spiralen, Pfeile, Schnüre und Molekülstrukturen schweben.
Strukturanalyse eines menschlichen Proteins

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 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 24,8 Millionen Euro. An dem Verbundforschungsprojekt „HOPE“ (Hochbrilliante photoinduzierte Hochfrequenz-Elektronenquellen) sind beispielsweise sieben nationale Forschungseinrichtungen und Universitäten sowie das CERN beteiligt.

Forschen für innovative Beschleunigertechnologie

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 Linearbeschleunigers 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 energieeffizient 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 Experiment 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.

Steckbrief BESSY II

Typ:

Synchrotronstrahlungsquelle

Technologie:

Speicherring der dritten Generation mit Undulatoren und Wigglern

Standort:

Berlin

Betreiber: 

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Baukosten:

102 Millionen Euro

Inbetriebnahme:

1998 (Start von BESSY II)

Umfang des Synchrotrons:

96 Meter

Umfang des Speicherrings:

240 Meter

Strahlenergie:

1,7 Gigaelektronenvolt

Energie der Synchrotronstrahlung:

1 Milli- bis 15 Kiloelektronenvolt

Wellenlängen der Synchrotronstrahlung:

1 Millimeter bis 0,1 Nanometer

Strahlstrom:

300 Milliampere

Anzahl der umlaufenden Teilchenpakete:

360 bis 400

Dauer der Lichtpulse:

20 Pikosekunden

Anzahl der Messplätze:

47