Tausendsassa für die Strahlungserzeugung: ELBE – Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen

Ob zum besseren Verständnis von Atomkernen, für die Weiterentwicklung der Strahlentherapie bei Krebs, die Verbesserung von WLAN-Sendern oder die Untersuchung von Kulturgütern wie mittelalterlichen Orgelpfeifen: Wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Materialproben im Detail untersuchen, steht ihnen heutzutage eine große Bandbreite an Möglichkeiten zur Verfügung. Insbesondere können sie Proben mit elektromagnetischer Strahlung durchleuchten oder mit unterschiedlichen Teilchenarten beschießen. Jede dieser Methoden fördert andere Informationen über ein Material zutage, etwa über das Kristallgefüge, die Porendichte oder das elektrische und magnetische Verhalten.

Seit 2004 stellt das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf Forschenden aus Deutschland und aller Welt eine in ihrer Vielfalt einzigartige Anlage zur Verfügung: das Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen, kurz ELBE. Diese Anlage erzeugt nicht nur intensive Gammastrahlung, starke Terahertz-Wellen, Infrarotlicht mit Lasereigenschaften und Röntgenblitze, sondern liefert auch Neutronen, Elektronen und Positronen. Diese dienen als Sonden, um den inneren Aufbau einer Probe zu erkunden. Dadurch lassen sich neue Details etwa über Halbleiter, Supraleiter und die noch junge Kohlenstoff-Variante Graphen in Erfahrung bringen.

Diagramm mit einem großen, rosafarbenen Pfeil in der Mitte von dem verschiedene, unterschiedlich farbige Pfeile abgehen
Vielfältige Möglichkeiten

Basis von ELBE ist ein supraleitender Beschleuniger, der kurze Elektronenpulse bis fast auf Lichtgeschwindigkeit bringt. Er besteht aus zwei Modulen mit jeweils vier Resonatoren aus Niob, gekühlt auf rund minus 270 Grad Celsius. Dank dieser supraleitenden Technologie kann der Strom verlustfrei fließen. Dadurch heizt sich die Anlage im Betrieb nicht auf und muss nicht, um sich abzukühlen, regelmäßig für kurze Zeit ausgeschaltet werden. Stattdessen können die supraleitenden Resonatoren kontinuierlich laufen und dadurch deutlich mehr Pulse beschleunigen als ein normalleitender Resonator. In Zahlen: Pro Sekunde bringt ELBE 13 Millionen Elektronenpulse auf Trab und liefert eine Strahlleistung von bis zu 40 Kilowatt.

Das Innere von Atomkernen und Sternen betrachten

Diese Elektronenpulse dienen bei ELBE dazu, diverse Arten von Strahlung für die Forschung zu erzeugen. So lassen sich beispielsweise mit der hochenergetischen Gammastrahlung Kernreaktionen beobachten und analysieren: Daraus kann die Fachwelt ableiten, wie bestimmte Atomkerne im Detail aufgebaut sind. Und für die Astrophysik lassen sich damit Prozesse im Labor nachvollziehen, wie sie sich bei der Elemententstehung im Inneren von Sternen abspielen.

Auch die Elektronenpulse selbst dienen der Forschung, und zwar indem man verschiedene Materialien mit ihnen bestrahlt. So lassen sich gezielt Kristall-Defekte in Werkstoffen erzeugen und die Widerstandsfähigkeit von Materialien gegenüber der Strahlung ausloten. Aber auch Zellkulturen werden mit den kurzen Elektronenpulsen bestrahlt. Die Ergebnisse sind wichtig, um bestimmte Varianten der Strahlentherapie für die Krebsbehandlung weiterzuentwickeln.

Elektronen-Verhalten in Diashow verfolgen

Zwei Forscher in blauen Schutzanzügen und getönten Schützbrillen knien auf einem Gitterboden und bauen eine Versuchsanordnung auf.
Wenn der Elektronenstrahl auf den Hochleistungslaser trifft

Zeitaufgelöste Messungen mit extrem kurzen Lichtpulsen im Bereich von Pikosekunden, also 10-12 Sekunden, sind durch intensive Infrarot-Laserblitze möglich. Diese erzeugen die beiden Freie-Elektronen-Laser an ELBE und erlauben damit vielfältige Experimente insbesondere an Festkörpern, Halbleitern und künstlichen Quantensystemen.

So lassen sich Prozesse quasi als Diashow verfolgen: Ein Forschungsteam konnte das eigenwillige Verhalten der Elektronen in Graphen, einer vielversprechenden zweidimensionalen Variante von Kohlenstoff, mit den ultrakurzen Lichtpulsen detailliert beobachten. Einer anderen Gruppe gelang es, die Eigenschaften eines Supraleiters mithilfe der Infrarot-Blitze gezielt zu beeinflussen. Das ist wichtig, um diese Materialklasse künftig besser nutzbar zu machen.

Bei den Freie-Elektronen-Lasern werden die schnellen Elektronenpulse des ELBE-Beschleunigers durch spezielle Magnetstrukturen gelenkt, sogenannte Undulatoren. Diese zwingen die Elektronen auf eine Slalombahn, wodurch sie starke Infrarot-Blitze abgeben. Die Wellenlängen reichen dabei von 4 bis zu 250 Mikrometer.

Materie unter extremen Bedingungen untersuchen

Mit Terahertz-Strahlung lassen sich die Elektronen in einer Probe sehr gezielt manipulieren und Materie lässt sich bei extremen Bedingungen untersuchen. Unter anderem brachten Experten hauchdünne Schichten aus einer Verbindung von Mangan und Gallium dazu, höchsteffizient Terahertz-Strahlung auszusenden. In künftigen WLAN-Sendern könnten solche Materialien die Datenraten deutlich erhöhen. Unter die Lupe nehmen lassen sich aber auch biologische Systeme: So hat ein Forschungsteam mithilfe der Terahertz-Pulse die Reizleitung in Nerven simuliert und im Detail beobachtet.

Ein horizontal ausgerichteter, metallener Zylinder mit verschiedenen Drähten und Ventilen in einem Labor
Elektronen fast so schnell wie das Licht

Um Terahertz-Pulse zu erzeugen, müssen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Elektronenpulse des ELBE-Beschleunigers von einer Pikosekunde auf wenige hundert Femtosekunden komprimieren. Dafür nutzen sie einen sogenannten Puls-Kompressor – eine spezielle Anordnung aus vier Magneten. Sie lässt Elektronen unterschiedlicher Energie auf verschieden langen Wegen laufen, sodass sich die Teilchen am Ende zu einem kürzeren Puls zusammenfinden.

Diese hochintensiven Terahertz-Pulse bestehen aus elektromagnetischer Strahlung im Bereich zwischen Infrarot und Mikrowellen und eröffnen so diese völlig neuen Experimentiermöglichkeiten.

Teilchen als Materialspione nutzen

Außerdem kann ELBE auch dazu dienen, das Innenleben von mittelalterlichen Orgelpfeifen unter die Lupe zu nehmen. Dafür müssen die Forschenden Positronen erzeugen, also die Antiteilchen von Elektronen. Das Besondere: Der Positronenstrahl ist monoenergetisch, das heißt, die Antiteilchen im Strahl sind alle gleich schnell.

Forscher in Schutzanzüge und mit getönter Schutzbrille lehnt sich durch ein kreisrundes Loch in eine beleuchtete Targetkammer, um an einer Versuchsanordnung Einstellungen vorzunehmen
Target-Kammer im Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen ELBE

Mit diesem Strahl lassen sich unter anderem dünne Materialschichten untersuchen, was Informationen über mögliche Defekte, zum Beispiel Lücken im Kristallgitter, liefert. Die Positronen finden sich bevorzugt in solchen Gitterlücken ein und zerstrahlen dort auf charakteristische Weise, was Rückschlüsse auf Größe und Art der Defekte erlaubt. Solche Experimente liefern wichtige Basisinformation, um beispielsweise bestimmte Halbleiter weiterzuentwickeln. Auf ähnliche Weise lassen sich nanometerkleine Poren im Membranen sowie Hohlräume in Schweißnähten vermessen – oder eben das Innenleben von Orgelpfeifen, was das Forschungsgebiet eines der Expertenteams ist.

Mit Neutronen untersuchen Expertenteams wiederum Kernreaktionen, die für die Astrophysik relevant sind: Im Inneren von Sternen entstehen chemische Elemente durch ein komplexes Wechselspiel von Kernfusion und Kernzerfällen. Einige Teilreaktionen lassen sich im Labor nachverfolgen, wodurch die Forschenden die Entstehung der Elemente im Sterninneren detaillierter verstehen.

Um Neutronen mit ELBE zu erzeugen, treffen die Elektronenpulse aus dem Beschleuniger auf flüssiges, vierhundert Grad Celsius heißes Blei und lösen dort Kernreaktionen aus, die die Neutronen freisetzen. Zwar liefert die Anlage weniger Neutronen als ein Forschungsreaktor. Dafür aber lässt sich die Energie der Neutronen mithilfe einer raffinierten Flugzeit-Messung präzise bestimmen – ein großer Vorteil für bestimmte Experimente.

Finanzierung und Bedeutung für Deutschland

Übersicht über einen Raum, durch den mehrere gerade und gebogene Rohre geführt werden, an denen Ventile und andere Geräte angebracht sind
Infrarot-Laserblitze dank FELBE

Mit seinem supraleitenden Beschleuniger als Quelle für die unterschiedlichsten Sekundärstrahlen ist ELBE weltweit einzigartig. Jedes Jahr kommen rund 70 Forschungsgruppen aus verschiedensten Fachdisziplinen nach Dresden, um an ELBE zu experimentieren. Etwa ein Drittel der Gruppen stammt aus der Helmholtz-Gemeinschaft, zwei Drittel von Universitäten und Forschungseinrichtungen aus dem In- und Ausland.

Im Rahmen der Verbundforschung fördert das Bundesforschungsministerium derzeit mit über 1,8 Millionen Euro (Förderzeitraum 2013 bis 2019) Projekte deutscher Universitäten an ELBE.

Steckbrief ELBE

Typ:

Teilchenbeschleuniger

Technologie:

Supraleitender Linearbeschleuniger für Elektronen

Standort:

Dresden

Betreiber:

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)

Inbetriebnahme:

2001 (Strahlungsquelle ELBE)

2013 (Ausbau zum Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen ELBE)

Beschleuniger:

Strahlenergie (thermionische Elektronenkanone): 32 Megaelektronenvolt

Strahlenergie (supraleitende Hochfrequenz-Photoquelle): 40 Megaelektronenvolt

Strahlstrom: 1,6 Milliampere

Länge des Beschleunigers:

ca. 85 Meter

Positronenquelle pELBE:

Strahlenergie: 0,5 – 20 Kiloelektronenvolt

Pulslänge:      250 Picosekunden

Anlage für Bremsstrahlung γELBE:

Strahlenergie: 6 – 16 Megaelektronenvolt

Neutronenquelle nELBE:

Strahlenergie: 100 Kiloelektronenvolt – 10 Megaelektronenvolt

Freie-Elektronen-Laser FELBE:

Wellenlänge: 4 – 250 Mikrometer

Pulslänge:     1 – 25 Picosekunden

Pulsenergie:  0,1 – 2 Mikrojoule


Anlage für Terahertz-Strahlung TELBE:

Frequenzbereich: 0,1 – 3 Terahertz

Pulsenergie:         0,25 – 100 Mikrojoule