European Synchrotron Radiation Facility ESRF

Um die Struktur von Materie, sei es im Bereich der Materialwissenschaften, der Biologie oder der Quantenphysik zu untersuchen, bedienen sich Physiker der besonders energiereichen harten Röntgenstrahlung. Solches Röntgenlicht wird in ringförmigen Teilchen­beschleunigern – sogenannten Synchrotronen – erzeugt. Mit der Synchrotronstrahlungs­quelle der ESRF in Grenoble steht den Forschenden eine auf diesem Gebiet international herausragende Einrichtung zur Verfügung.

Die European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) betreibt in Grenoble eine Röntgenlichtquelle von internationalem Rang. Diese ist gemeinsam mit der Forschungsneutronenquelle HFR am Institut Laue-Langevin und dem EMBL (European Molecular Biology Laboratory) auf dem Forschungsgelände des European Photon and Neutron Campus angesiedelt. Mit diesen beiden Einrichtungen besteht eine enge Zusammenarbeit vor allem im Bereich der Lebenswissenschaften.

Die ESRF wird als Société civile nach französischem Recht betrieben. Deutschland ist mit einem Anteil von 24 Prozent Mitglied der ESRF. Zudem sind zwölf weitere Länder als Mitglieder sowie acht als wissenschaftliche Partner beteiligt; diese werden im Steckbrief am Ende dieses Artikels aufgeführt.

Die ESRF gehört zu den weltweit führenden Einrichtungen in der Forschung mit Synchrotronstrahlung und ist mit über 1700 Veröffentlichungen die wissenschaftlich produktivste Synchrotronstrahlungsquelle der Welt. Die Einrichtung bietet eine einzigartige Forschungsinfrastruktur mit sich ergänzenden Laboren und 41 hochspezialisierte Experimentierplätze, an denen jedes Jahr über 6000 Gastforscher aus mehr als 40 vorwiegend europäischen Ländern Experimente durchführen.

Erzeugung der Synchrotronstrahlung am ESRF

Zeichnung eines Gebäudes, das ringförmig umläuft und einige Bäume umschließt. Durch den Ausschnitt einer Wand sind Experimentierstationen zu sehen; eine gestrichelte Linie deutet den Verlauf des Linear- und des Ringbeschleunigers an.
Speicherring der ESRF im Modell

Die ESRF liefert Röntgenstrahlung, die 100 Milliarden Mal stärker ist als solche, die in Krankenhäusern verwendet wird. Erzeugt wird diese Strahlung durch Elektronen, die kontrolliert ihre Flugbahn ändern. Bis die Elektronen die für die Experimente relevante Röntgenstrahlung produzieren können, durchlaufen sie im Wesentlichen drei Schritte. Zunächst werden in einem Linearbeschleuniger, der als Elektronenkanone fungiert, Elektronenpakete generiert und auf eine Energie von 200 Megaelektronenvolt beschleunigt. Diese werden dann in einen Ringbeschleuniger mit einem Umfang von 300 Metern eingespeist. Dort nehmen sie weiter Energie auf, bis sie 6 Gigaelektronenvolt erreichen. Anschließend werden sie in einen Speicherring von rund 844 Metern Umfang, das Herzstück der ESRF, geleitet, wo sie bei konstanter Energie bis zu mehreren Stunden umlaufen. Mithilfe von speziell angeordneten Magneten in sogenannten Undulatoren werden die Elektronenpakete auf eine wellenförmige Bahn gelenkt, wodurch sie hochenergetische Röntgenstrahlung aussenden. Diese Synchrotronstrahlung mit Energien zwischen 6 und 60 Kiloelektronenvolt – also Wellenlängen zwischen 0,2 und 0,02 Nanometer – besitzt eine enorm hohe Brillanz: Sie ist extrem intensiv und zugleich eng gebündelt. Mit Strahlrohren werden die Röntgenstrahlen dann vom Speicherring zu den mehr als vierzig Experimentierplätzen geleitet.

Vielfältige Anwendungen

Luftaufnahme der ESRF bei Nacht
Luftbild der ESRF

An den Experimentierplätzen lässt sich die Synchrotronstrahlung für verschiedene Diagnosetechniken zur Analyse von Materie einsetzen. Zum Beispiel verraten Röntgenbeugung und Röntgenmikroskopie an einer Materialprobe etwas über deren Struktur. Die Zusammensetzung einer Materialprobe wiederum kann mittels Spektroskopie bestimmt werden. Dabei messen die Forscher Spektren, die durch Wechselwirkung des Röntgenlichts mit der Probe entstehen, und können auf die enthaltenen chemischen Elemente rückschließen. Bei der Fluoreszenz sendet das Material selbst Licht aus, nachdem es mit der Röntgenstrahlung dazu angeregt wurde, und gibt somit wertvolle Informationen über seine Eigenschaften Preis. Mit rasch aufeinanderfolgenden, kurzen Röntgenpulsen können die Wissenschaftler zudem schnell ablaufende Prozesse in Materie quasi „filmen“.

Die in der ESRF erzeugte sogenannte harte Röntgenstrahlung kann tief in die Materie eindringen und eignet sich beispielsweise besonders gut, um Materialien zu untersuchen, die durch Schichten aus anderer Materie überlagert sind. Dies ist etwa in Forschungsbereichen der Werkstofftechnik der Fall, wo häufig beschichtete Materialien zum Einsatz kommen, aber auch in der Archäologie oder Paläontologie. Des Weiteren wird die Technik bei Prüfverfahren eingesetzt, um Materialermüdung frühzeitig zu erkennen oder die Korrosion von Legierungen zu untersuchen.

Auch in den Lebenswissenschaften setzen Forscher die harte Röntgenstrahlung der ESRF auf vielfältige Weise ein. Als Beispiel sei hier die Strukturanalyse von Proteinen und Ribonukleinsäuren (RNA) in Viren genannt. Mit kurzen Röntgenstrahlpulsen lassen sich unter anderem chemische Reaktionen, an denen Enzyme beteiligt sind, beobachten. Anhand der daraus gewonnenen Erkenntnisse lassen sich zum Beispiel neue Medikamente entwickeln.

Links eine Röntgentomographische Aufnahme eines Ameisenfossils, rechts ein 3D-Modell der Ameise, das durch die tomographischen Untersuchungen möglich wurde
Rekonstruktion einer fossilen Ameise

In der Grundlagenforschung von Physik und Chemie wird die harte Röntgenstrahlung unter anderem dazu verwendet, bestimmte atomare oder molekulare Eigenschaften zu analysieren oder neuartige Eigenschaften zu erzeugen. Diese Technik wird zum Beispiel eingesetzt, um den chemischen Zustand von schweren Elementen wie Chrom oder Uran zu bestimmen. Dies ist von besonderem Interesse in der Nanotechnologie, deren Anwendung zum Beispiel in der Entwicklung neuer Datenspeicher oder effizienterer Solarzellen zum Tragen kommt. Zudem bestehen vielfältige, teils auch interdisziplinäre Anwendungen in den Bereichen Geo- und Umweltwissenschaften sowie Informationswissenschaften.

Deutschland und die ESRF

Rund 3000 Wissenschaftler verwenden in Deutschland regelmäßig Synchrotronstrahlung für ihre Forschung. Die finanzielle Beteiligung des Bundesforschungsministeriums (BMBF) an der ESRF ergänzt für die deutsche Wissenschaftsgemeinde die nationalen Synchrotronstrahlungsquellen wie PETRA III, FLASH oder BESSY II. Aufgrund dieser Beteiligung erhalten auch deutsche Forschergruppen einen kostenlosen Zugang. In der Funktion als Gesellschafterin vertritt das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY die Interessen Deutschlands an der ESRF. Zudem fördert das BMBF im Rahmen der Verbundforschung regelmäßig Projekte deutscher Universitätsgruppen an der ESRF, im Zeitraum 2010 bis 2016 beispielsweise mit insgesamt 1,6 Millionen Euro. Schwerpunkte deutscher Forschung an der ESRF sind Materialuntersuchungen bei hohem Druck, insbesondere mit Methoden der sogenannten Kernresonanzstreuung.

Große lilafarbene Punkte bildenen einen Kubus, in dem sich kleinere, hellere Punkte befinden
Entwicklung von Halbleitern

Auf nationaler wie auch europäischer Ebene steigt die Nachfrage nach Messzeit mit hochbrillanter Röntgenstrahlung stetig. Immer mehr Forschende wollen die einzigartigen Eigenschaften dieses Röntgenlichts nutzen, um ihre wissenschaftlichen Fragen zu beantworten. Mit seinen Kapazitäten leistet die ESRF hier einen wesentlichen Beitrag. Wissenschaftler öffentlicher Institutionen aus den Mitgliedsländern können die Einrichtung ohne weitere Kosten nutzen, falls ihr Antrag auf Messzeit von einem Gutachtergremium positiv bewertet wurde. Das Hauptkriterium bei der Auswahl der vorgeschlagenen Projekte ist dabei die wissenschaftliche Exzellenz. Je nach dem finanziellen Anteil, den ein Mitgliedsland zur ESRF beisteuert, werden die Messzeiten dann annähernd prozentual zugeteilt.

Upgrade in zwei Phasen

Die Anlage wird derzeit hinsichtlich ihrer Strahleigenschaften verbessert und in den Experimentierplätzen erweitert. Die erste Upgrade-Phase von 2009 bis 2015 ist bereits abgeschlossen, eine zweite Upgrade-Phase läuft von 2015 bis 2022. In dieser zweiten Phase soll der Speicherring auf den technisch neuesten Stand gebracht werden, sodass er Synchrotronstrahlung mit einer hundertmal höheren Brillanz liefert als zuvor. Als Gesamtbudget sind für das Upgrade 330 Millionen Euro vorgesehen, die aus dem ESRF-Haushalt und EU-Mitteln zur Verfügung gestellt werden.

Steckbrief ESRF

Typ:

Synchrotronstrahlungsquelle (harte Röntgenstrahlung)

Technologie:

Sequenz von Linearbeschleuniger, Ringbeschleuniger und Speicherring mit speziellen Magnetstrukturen (Undulatoren und Wiggler)

Standort:

Grenoble, Frankreich

Betreiber: 

European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)

Rechtsform:

Société civile nach französischem Recht; Deutschland wird durch DESY als Gesellschafterin vertreten

Jahresbudget:

102 Millionen Euro (2014)

Deutsche Beteiligung:

24 Prozent

Inbetriebnahme:

1994 (Einweihungsdatum)

Umfang des Speicherrings:

844,4 Meter

Strahlenergie der Elektronen:

6 Gigaelektronenvolt

Energie der Röntgenstrahlung:

12,4 bis 124 Kiloelektronvolt

Wellenlänge der Röntgenstrahlung:

0,01 bis 0,1 Nanometer

Brillanz der Röntgenstrahlung:

8⋅1020 Photonen pro Sekunde, Quadratmillimeter, Quadratmilliradians und 0,1 Prozent Bandbreite

Experimentierplätze:

41

Bestandteil folgender Roadmaps:

ESFRI

Mitgliedsländer (Finanzierung und Stimmrecht):

13: Benesync (Belgien, Niederlande), Deutschland (24 Prozent), Frankreich (27,5 Prozent), Großbritannien (10,5 Prozent), Italien (13,2 Prozent), Nordsync (Dänemark, Finnland, Norwegen, Schweden), Russland, Schweiz, Spanien

Wissenschaftliche Partnerländer (finanzielle Beteiligung, aber kein Stimmrecht):

8: Centralsync (Tschechische Republik, Ungarn, Slowakei), Israel, Österreich, Polen, Portugal, Südafrika